Multi‐Electron Reactions Enabled by Anion‐Based Redox Chemistry for High‐Energy Multivalent Rechargeable Batteries

氧化还原 化学 离子 电子 光化学 组合化学 无机化学 纳米技术 材料科学 有机化学 物理 量子力学
作者
Zhenyou Li,Bhaghavathi P. Vinayan,Piotr Jankowski,Christian Njel,Ananyo Roy,Tejs Vegge,Julia Maibach,J. M. García‐Lastra,Maximilian Fichtner,Zhirong Zhao‐Karger
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:59 (28): 11483-11490 被引量:153
标识
DOI:10.1002/anie.202002560
摘要

The development of multivalent metal (such as Mg and Ca) based battery systems is hindered by lack of suitable cathode chemistry that shows reversible multi-electron redox reactions. Cationic redox centres in the classical cathodes can only afford stepwise single-electron transfer, which are not ideal for multivalent-ion storage. The charge imbalance during multivalent ion insertion might lead to an additional kinetic barrier for ion mobility. Therefore, multivalent battery cathodes only exhibit slope-like voltage profiles with insertion/extraction redox of less than one electron. Taking VS4 as a model material, reversible two-electron redox with cationic-anionic contributions is verified in both rechargeable Mg batteries (RMBs) and rechargeable Ca batteries (RCBs). The corresponding cells exhibit high capacities of >300 mAh g-1 at a current density of 100 mA g-1 in both RMBs and RCBs, resulting in a high energy density of >300 Wh kg-1 for RMBs and >500 Wh kg-1 for RCBs. Mechanistic studies reveal a unique redox activity mainly at anionic sulfides moieties and fast Mg2+ ion diffusion kinetics enabled by the soft structure and flexible electron configuration of VS4 .
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