负电荷转移：高能量电池的基态前驱体
材料科学
2025-09-26 v1 强关联电子
摘要
现代能源应用，尤其是电动汽车，对高能量电池提出了严苛要求。尽管经过多年深入的努力，最高能量密度且具有商业可行性的电池仍基于锂钴氧化物（LiCoO2），即阴极材料的第一代。技术瓶颈在于高工作电压下氧化物基阴极的稳定性。根本性的谜题在于，我们实际上从未理解锂钴氧化物的氧化还原机制。常规观念通常将氧化还原中心定义在低电压下的阳离子，以及在高电压下的阴离子，即通过形成氧化化学状态如O2或过氧物种来实现。本文通过原位和外源光谱仪器结合理论计算，我们展示了以锂钴氧化物和锂镍氧化物为代表的高能量层状阴极，通过在整个电压范围内增强负电荷转移（NCT）基态而工作——即NCT演化本身是无论电压范围的内在氧化还原机制。NCT本质上涉及高共价性和氧空穴，导致在LiCoO2中无需常规氧化中心即可实现性能优化。NCT的水平，即配体空穴的数量，自然解释了许多看似矛盾的结果。对氧化还原机制的重新定义揭示了通往可行高能量电池阴极的路径。
引用
@article{arxiv.2509.20622,
title = {Negative Charge Transfer: Ground State Precursor towards High Energy Batteries},
author = {Eder G. Lomeli and Qinghao Li and Kuan H. Hsu and Gi-Hyeok Lee and Zengqing Zhuo and Bryant-J. Polzin and Jihyeon Gim and Boyu Shi and Eungje Lee and Yujia Wang and Haobo Li and Pu Yu and Jinpeng Wu and Zhi-Xun Shen and Shishen Yan and Lauren Illa and Josh J. Kas and John J. Rehr and John Vinson and Brian Moritz and Yi-Sheng Liu and Jinghua Guo and Yi-de Chuang and Wanli Yang and Thomas P. Devereaux},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.20622},
year = {2025}
}
备注
33 pages, paper plus supplementary material, 4 main figures