Review-Lithium-Excess layered cathodes for lithium rechargeable batteries

Journal of the Electrochemical Society

Volumn 162, Issue 14, 2015, Pages A2447-A2467

  Hong, Jihyun ^a,b   Gwon, Hyeokjo ^a,b   Jung, Sung Kyun ^a   Ku, Kyojin ^a   Kanga, Kisuk ^a  

^a Seoul National University   (South Korea)

^b Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)   (South Korea)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CATHODES; ELECTRIC BATTERIES; ELECTRODES; LITHIUM; LITHIUM BATTERIES; TRANSITION METAL COMPOUNDS; TRANSITION METALS;

CRITICAL ISSUES; ELECTROCHEMICAL CYCLING; FUTURE RESEARCH DIRECTIONS; GRAVIMETRIC CAPACITY; LITHIUM RECHARGEABLE BATTERIES; PRISTINE STRUCTURES; STRUCTURAL EVOLUTION; TRANSITION-METAL OXIDES;

SECONDARY BATTERIES;

EID: 84946080242     PISSN: 00134651     EISSN: 19457111     Source Type: Journal    
DOI: 10.1149/2.0071514jes     Document Type: Review

References (114)

1. M. Armand and J. M. Tarascon, Nature, 451, 652 (2008).
2. J. M. Tarascon and M. Armand, Nature, 414, 359 (2001).
3. J. B. Goodenough and Y. Kim, Chem. Mater., 22, 587 (2010).
4. K. Kang, Y. S.Meng, J. Breger, C. P. Grey, and G. Ceder, Science, 311, 977 (2006).
5. M. S. Whittingham, Chem. Rev., 104, 4271 (2004).
6. M. M. Thackeray, C. S. Johnson, J. T. Vaughey, N. Li, and S. A. Hackney, J. Mater. Chem., 15, 2257 (2005).
7. M. M. Thackeray, S. H. Kang, C. S. Johnson, J. T. Vaughey, R. Benedek, and S. A. Hackney, J. Mater. Chem., 17, 3112 (2007).
8. H. J. Yu and H. S. Zhou, J Phys Chem Lett, 4, 1268 (2013).
9. L. Li, K. S. Lee, and L. Lu, Funct Mater Lett, 7, 1430002 (2014).
10. J. H. Yan, X. B. Liu, and B. Y. Li, RSC Adv., 4, 63268 (2014).
11. Z. H. Lu, D. D. MacNeil, and J. R. Dahn, Electrochem. Solid-State Lett., 4, A191 (2001).
12. Z. H. Lu, L. Y. Beaulieu, R. A. Donaberger, C. L. Thomas, and J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc., 149, A778 (2002).
13. Z. H. Lu and J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc., 149, A815 (2002).
14. A. R. Armstrong, M. Holzapfel, P. Novak, C. S. Johnson, S. H. Kang, M. M. Thackeray, and P. G. Bruce, J. Am. Chem. Soc., 128, 8694 (2006).
15. N. Yabuuchi, K. Yoshii, S. T. Myung, I. Nakai, and S. Komaba, J. Am. Chem. Soc., 133, 4404 (2011).
16. C. S. Johnson, J. S. Kim, C. Lefief, N. Li, J. T. Vaughey, and M. M. Thackeray, Electrochem. Commun., 6, 1085 (2004).
17. J. Bareno, M. Balasubramanian, S. H. Kang, J. G.Wen, C. H. Lei, S. V. Pol, I. Petrov, and D. P. Abraham, Chem. Mater., 23, 2039 (2011).
18. J. Bareno, C. H. Lei, J. G. Wen, S. H. Kang, I. Petrov, and D. P. Abraham, Adv. Mater., 22, 1122 (2010).
19. A. Boulineau, L. Simonin, J. F. Colin, E. Canevet, L. Daniel, and S. Patoux, Chem. Mater., 24, 3558 (2012).
20. J. Breger, M. Jiang, N. Dupre, Y. S. Meng, Y. Shao-Horn, G. Ceder, and C. P. Grey, J. Solid State Chem., 178, 2575 (2005).
21. W. S. Yoon, N. Kim, X. Q. Yang, J. McBreen, and C. P. Grey, J. Power Sources, 119, 649 (2003).
22. H. J. Yu, R. Ishikawa, Y. G. So, N. Shibata, T. Kudo, H. S. Zhou, and Y. Ikuhara, Angew. Chem. Int. Ed., 52, 5969 (2013).
23. K. A. Jarvis, Z. Q. Deng, L. F. Allard, A. Manthiram, and P. J. Ferreira, Chem. Mater., 23, 3614 (2011).
24. H. Koga, L. Croguennec, P. Mannessiez, M. Menetrier, F. Weill, L. Bourgeois, M. Duttine, E. Suard, and C. Delmas, J. Phys. Chem. C, 116, 13497 (2012).
25. T. Ohzuku, M. Nagayama, K. Tsuji, and K. Ariyoshi, J. Mater. Chem., 21, 10179 (2011).
26. N. Twu, X. Li, A. Urban, M. Balasubramanian, J. Lee, L. Liu, and G. Ceder, Nano Lett., 15, 596 (2015).
27. M. Sathiya, G. Rousse, K. Ramesha, C. P. Laisa, H. Vezin, M. T. Sougrati, M. L. Doublet, D. Foix, D. Gonbeau, W. Walker, A. S. Prakash, M. Ben Hassine, L. DuPont, and J. M. Tarascon, Nat. Mater., 12, 827 (2013).
28. M. Sathiya, K. Ramesha, G. Rousse, D. Foix, D. Gonbeau, A. S. Prakash, M. L. Doublet, K. Hemalatha, and J. M. Tarascon, Chem. Mater., 25, 1121 (2013).
29. M. Sathiya, K. Ramesha, G. Rousse, D. Foix, D. Gonbeau, K. Guruprakash, A. S. Prakash, M. L. Doublet, and J. M. Tarascon, Chem. Commun., 49, 11376 (2013).
30. E. McCalla, M. T. Sougrati, G. Rousse, E. J. Berg, A. Abakumov, N. Recham, K. Ramesha, M. Sathiya, R. Dominko, G. Van Tendeloo, P. Novak, and J. M. Tarascon, J. Am. Chem. Soc., 137, 4804 (2015).
31. J. Lee, A. Urban, X. Li, D. Su, G. Hautier, and G. Ceder, Science, 343, 519 (2014).
32. J. Breger, Y. S. Meng, Y. Hinuma, S. Kumar, K. Kang, Y. Shao-Horn, G. Ceder, and C. P. Grey, Chem. Mater., 18, 4768 (2006).
33. D. Mohanty, S. Kalnaus, R. A. Meisner, K. J. Rhodes, J. L. Li, E. A. Payzant, D. L. Wood, and C. Daniel, J. Power Sources, 229, 239 (2013).
34. C. J. Pan, Y. J. Lee, B. Ammundsen, and C. P. Grey, Chem. Mater., 14, 2289 (2002).
35. H. J. Yu, H. J. Kim, Y. R. Wang, P. He, D. Asakura, Y. Nakamura, and H. S. Zhou, Phys. Chem. Chem. Phys., 14, 6584 (2012).
36. B. Ammundsen, J. Paulsen, I. Davidson, R. S. Liu, C. H. Shen, J. M. Chen, L. Y. Jang, and J. F. Lee, J. Electrochem. Soc., 149, A431 (2002).
37. C. H. Lei, J. Bareno, J. G.Wen, I. Petrov, S. H. Kang, and D. P. Abraham, J. Power Sources, 178, 422 (2008).
38. J. G. Wen, J. Bareno, C. H. Lei, S. H. Kang, M. Balasubramanian, I. Petrov, and D. P. Abraham, Solid State Ionics, 182, 98 (2011).
39. M. Gu, I. Belharouak, A. Genc, Z. G. Wang, D. P. Wang, K. Amine, F. Gao, G. W. Zhou, S. Thevuthasan, D. R. Baer, J. G. Zhang, N. D. Browning, J. Liu, and C. M. Wang, Nano Lett., 12, 5186 (2012).
40. J. Kikkawa, T. Akita, M. Tabuchi, M. Shikano, K. Tatsumi, and M. Kohyama, J. Appl. Phys., 103 (2008).
41. Z. H. Lu, Z. H. Chen, and J. R. Dahn, Chem. Mater., 15, 3214 (2003).
42. W. S. Yoon, C. P. Grey, M. Balasubramanian, X. Q. Yang, and J. McBreen, Chem. Mater., 15, 3161 (2003).
43. L. X. Yuan, Z. H. Wang, W. X. Zhang, X. L. Hu, J. T. Chen, Y. H. Huang, and J. B. Goodenough, Energ Environ. Sci., 4, 269 (2011).
44. C. Julien, A. Mauger, K. Zaghib, and H. Groult, Inorganics, 2, 132 (2014).
45. R. Hausbrand, G. Cherkashinin, H. Ehrenberg, M. Groting, K. Albe, C. Hess, and W. Jaegermann, Mater Sci Eng B-Adv, 192, 3 (2015).
46. J. N. Reimers and J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc., 139, 2091 (1992).
47. A. Van der Ven, M. K. Aydinol, G. Ceder, G. Kresse, and J. Hafner, Phys. Rev. B, 58, 2975 (1998).
48. J. Hong, D. H. Seo, S. W. Kim, H. Gwon, S. T. Oh, and K. Kang, J. Mater. Chem., 20, 10179 (2010).
49. J. M. Zheng, Z. R. Zhang, X. B. Wu, Z. X. Dong, Z. Zhu, and Y. Yang, J. Electrochem. Soc., 155, A775 (2008).
50. J. Hong, H. D. Lim, M. Lee, S. W. Kim, H. Kim, S. T.Oh, G. C. Chung, and K. Kang, Chem. Mater., 24, 2692 (2012).
51. B. Xu, C. R. Fell, M. F. Chi, and Y. S. Meng, Energ Environ. Sci., 4, 2223 (2011).
52. M. Gu, I. Belharouak, J. M. Zheng, H. M. Wu, J. Xiao, A. Genc, K. Amine, S. Thevuthasan, D. R. Baer, J. G. Zhang, N. D. Browning, J. Liu, and C. M. Wang, ACS Nano, 7, 760 (2013).
53. C. R. Fell, D. N. Qian, K. J. Carroll, M. F. Chi, J. L. Jones, and Y. S. Meng, Chem. Mater., 25, 1621 (2013).
54. C. S. Johnson, N. C. Li, C. Lefief, J. T. Vaughey, and M. M. Thackeray, Chem. Mater., 20, 6095 (2008).
55. A. Ito, Y. Sato, T. Sanada, M. Hatano, H. Horie, and Y. Ohsawa, J. Power Sources, 196, 6828 (2011).
56. S. H. Yu, T. Yoon, J.Mun, S. Park, Y. S. Kang, J. H. Park, S. M. Oh, and Y. E. Sung, J. Mater. Chem. A, 1, 2833 (2013).
57. K. J. Carroll, D. Qian, C. Fell, S. Calvin, G. M. Veith, M. F. Chi, L. Baggetto, and Y. S. Meng, Phys. Chem. Chem. Phys., 15, 11128 (2013).
58. S. A. Freunberger, Y. H. Chen, Z. Q. Peng, J. M. Griffin, L. J. Hardwick, F. Barde, P. Novak, and P. G. Bruce, J. Am. Chem. Soc., 133, 8040 (2011).
59. S. A. Freunberger, Y. H. Chen, N. E. Drewett, L. J. Hardwick, F. Barde, and P. G. Bruce, Angew. Chem. Int. Ed., 50, 8609 (2011).
60. Y. Chen, S. A. Freunberger, Z. Peng, F. Barde, and P. G. Bruce, J. Am. Chem. Soc., 134, 7952 (2012).
61. S. Hy, F. Felix, J. Rick, W. N. Su, and B. J. Hwang, J. Am. Chem. Soc., 136, 999 (2014).
62. T. Nakajima and H. Groult, Fluorinated Materials for Energy Conversion, Elsevier (2005).
63. K. Tasaki, K. Kanda, S. Nakamura, and M. Ue, J. Electrochem. Soc., 150, A1628 (2003).
64. K. Wieghardt, Angew Chem Int Edit, 28, 1153 (1989).
65. A. V. Plakhotnyk, L. Ernst, and R. Schmutzler, J Fluorine Chem, 126, 27 (2005).
66. Z. S.Wu, L. L. Xue, W. C. Ren, F. Li, L.Wen, and H. M. Cheng, Adv. Funct. Mater., 22, 3290 (2012).
67. S. H. Kang and M. M. Thackeray, Electrochem. Commun., 11, 748 (2009).
68. J. Zhang, Q. W. Lu, J. H. Fang, J. L. Wang, J. Yang, and Y. N. NuLi, ACS Appl. Mater. Interfaces, 6, 17965 (2014).
69. C. R. Wu, X. P. Fang, X. W. Guo, Y. Mao, J. Ma, C. C. Zhao, Z. X. Wang, and L. Q. Chen, J. Power Sources, 231, 44 (2013).
70. H. Koga, L. Croguennec, M. Menetrier, K. Douhil, S. Belin, L. Bourgeois, E. Suard, F. Weill, and C. Delmas, J. Electrochem. Soc., 160, A786 (2013).
71. H. Koga, L. Croguennec, M. Menetrier, P. Mannessiez, F. Weill, and C. Delmas, J. Power Sources, 236, 250 (2013).
72. M. Oishi, C. Yogi, I.Watanabe, T. Ohta, Y. Orikasa, Y. Uchimoto, and Z. Ogumi, J. Power Sources, 276, 89 (2015).
73. A. C. W. P. James and J. B. Goodenough, J. Solid State Chem., 74, 287 (1988).
74. M. Sathiya, J. B. Leriche, E. Salager, D. Gourier, J. M. Tarascon, and H. Vezin, Nat. Commun., 6 (2015).
75. S. Fukuzumi and K. Ohkubo, Chem-Eur J, 6, 4532 (2000).
76. H. Shim, J.-P. Ahn, D. W. Shin, D. Kim, and T. Yu, 2015 MRS Spring Meeting & Exhibit, G6.25, Meeting Abstract (2015).
77. M. Jiang, B. Key, Y. S. Meng, and C. P. Grey, Chem. Mater., 21, 2733 (2009).
78. Z. Q. Deng and A. Manthiram, J. Phys. Chem. C, 115, 7097 (2011).
79. J. R. Croy, D. Kim, M. Balasubramanian, K. Gallagher, S. H. Kang, and M. M. Thackeray, J. Electrochem. Soc., 159, A781 (2012).
80. M. Bettge, Y. Li, K. Gallagher, Y. Zhu, Q. L. Wu, W. Q. Lu, I. Bloom, and D. P. Abraham, J. Electrochem. Soc., 160, A2046 (2013).
81. D. Mohanty, A. S. Sefat, J. L. Li, R. A. Meisner, A. J. Rondinone, E. A. Payzant, D. P. Abraham, D. L. Wood, and C. Daniel, Phys. Chem. Chem. Phys., 15, 19496 (2013).
82. D. Mohanty, J. L. Li, D. P. Abraham, A. Huq, E. A. Payzant, D. L. Wood, and C. Daniel, Chem. Mater., 26, 6272 (2014).
83. N. Tran, L. Croguennec, M. Menetrier, F.Weill, P. Biensan, C. Jordy, and C. Delmas, Chem. Mater., 20, 4815 (2008).
84. A. Boulineau, L. Simonin, J. F. Colin, C. Bourbon, and S. Patoux, Nano Lett., 13, 3857 (2013).
85. K. G. Gallagher, J. R. Croy, M. Balasubramanian, M. Bettge, D. P. Abraham, A. K. Burrell, and M. M. Thackeray, Electrochem. Commun., 33, 96 (2013).
86. J. R. Croy, K. G. Gallagher, M. Balasubramanian, B. R. Long, and M. M. Thackeray, J. Electrochem. Soc., 161, A318 (2014).
87. P. Oh, M. Ko, S. Myeong, Y. Kim, and J. Cho, Adv. Energy. Mater., 4 (2014).
88. M. Delhaye and P. Dhamelincourt, J Raman Spectrosc, 3, 33 (1975).
89. S. Loridant, L. Abello, E. Siebert, and G. Lucazeau, Solid State Ionics, 78, 249 (1995).
90. W. W. Huang and R. Frech, Solid State Ionics, 86-88, 395 (1996).
91. S. K. Jeong, C. H. Song, K. S. Nahm, and A. M. Stephan, Electrochim. Acta, 52, 885 (2006).
92. S. K. Jung, H. Gwon, J. Hong, K. Y. Park, D. H. Seo, H. Kim, J. Hyun, W. Yang, and K. Kang, Adv. Energy. Mater., 4 (2014).
93. P. G. Bruce, A. R. Armstrong, and R. L. Gitzendanner, J. Mater. Chem., 9, 193 (1999).
94. J. Reed, G. Ceder, and A. Van der Ven, Electrochem. Solid-State Lett., 4, A78 (2001).
95. G. Ceder and A. Van der Ven, Electrochim. Acta, 45, 131 (1999).
96. K. Kang and G. Ceder, Phys. Rev. B, 74, 094105 (2006).
97. M. Sathiya, A. M. Abakumov, D. Foix, G. Rousse, K. Ramesha, M. Saubanere, M. L. Doublet, H. Vezin, C. P. Laisa, A. S. Prakash, D. Gonbeau, G. VanTendeloo, and J. M. Tarascon, Nat. Mater., 14, 230 (2015).
98. J. M. Lim, D. Kim, Y. G. Lim, M. S. Park, Y. J. Kim, M. Cho, and K. Cho, J. Mater. Chem. A, 3, 7066 (2015).
99. M. M. Thackeray, Progress in Solid State Chemistry, 25, 1 (1997).
100. J. R. Croy, K. G. Gallagher, M. Balasubramanian, Z. Chen, Y. Ren, D. Kim, S.-H. Kang, D. W. Dees, and M. M. Thackeray, The Journal of Physical Chemistry C, 117, 6525 (2013).
101. Y. N. Zhou, J. Ma, E. Y. Hu, X. Q. Yu, L. Gu, K. W. Nam, L. Q. Chen, Z. X. Wang, and X. Q. Yang, Nat. Commun., 5 (2014).
102. S. Taminato, M. Hirayama, K. Suzuki, K. Kim, Y. M. Zheng, K. Tamura, J. Mizuki, and R. Kanno, J. Mater. Chem. A, 2, 17875 (2014).
103. S. Laha, E. Moran, R. Saez-Puche, M. A. Alario-Franco, A. J. Dos Santos-Garcia, E. Gonzalo, A. Kuhn, F. Garcia-Alvarado, T. Sivakumar, S. Tamilarasan, S. Natarajan, and J. Gopalakrishnan, J. Solid State Chem., 203, 160 (2013).
104. S. Laha, E. Moran, R. Saez-Puche, M. A. Alario-Franco, A. J. Dos Santos-Garcia, E. Gonzalo, A. Kuhn, S. Natarajan, J. Gopalakrishnan, and F. Garcia-Alvarado, J. Mater. Chem. A, 1, 10686 (2013).
105. S. Laha, S. Natarajan, J. Gopalakrishnan, E. Moran, R. Saez-Puche, M. A. Alario-Franco, A. J. Dos Santos-Garcia, J. C. Perez-Flores, A. Kuhn, and F. Garcia-Alvarado, Phys. Chem. Chem. Phys., 17, 3749 (2015).
106. F. Kong, R. C. Longo, M.-S. Park, J. Yoon, D.-H. Yeon, J.-H. Park, W.-H. Wang, S. Kc, S.-G. Doo, and K. Cho, J. Mater. Chem. A, 3, 8489 (2015).
107. J. Ma, Y. N. Zhou, Y. R. Gao, X. Q. Yu, Q. Y. Kong, L. Gu, Z. X.Wang, X. Q. Yang, and L. Q. Chen, Chem. Mater., 26, 3256 (2014).
108. B. L. Ellis, K. T. Lee, and L. F. Nazar, Chem. Mater., 22, 691 (2010).
109. L. A. de Picciotto, M. M. Thackeray, W. I. F. David, P. G. Bruce, and J. B. Goodenough, Mater. Res. Bull., 19, 1497 (1984).
110. N. Kumada, S. Muramatu, F. Muto, N. Kinomura, S. Kikkawa, and M. Koizumi, J. Solid State Chem., 73, 33 (1988).
111. S. Sarkar, P. Mahale, and S. Mitra, J. Electrochem. Soc., 161, A934 (2014).
112. A. K. Kalathil, P. Arunkumar, D. H. Kim, J. W. Lee, andW. B. Im, ACS Appl. Mater. Interfaces, 7, 7118 (2015).
113. E. McCalla, A. Abakumov, G. Rousse, M. Reynaud, M. T. Sougrati, B. Budic, A. Mahmoud, R. Dominko, G. Van Tendeloo, R. P. Hermann, and J. M. Tarascon, Chem. Mater., 27, 1699 (2015).
114. A. Urban, J. Lee, and G. Ceder, Adv. Energy. Mater., 4 (2014).