Aqueous Li-ion battery enabled by halogen conversion–intercalation chemistry in graphite

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作者
Chongyin Yang,Ji Chen,Xiao Ji,Travis P. Pollard,Xujie Lü,Cheng‐Jun Sun,Singyuk Hou,Qi Liu,Cunming Liu,Tingting Qing,Yingqi Wang,Oleg Borodin,Yang Ren,Kang Xu,Chunsheng Wang
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:569 (7755): 245-250 被引量:788
标识
DOI:10.1038/s41586-019-1175-6
摘要

The use of 'water-in-salt' electrolytes has considerably expanded the electrochemical window of aqueous lithium-ion batteries to 3 to 4 volts, making it possible to couple high-voltage cathodes with low-potential graphite anodes1-4. However, the limited lithium intercalation capacities (less than 200 milliampere-hours per gram) of typical transition-metal-oxide cathodes5,6 preclude higher energy densities. Partial7,8 or exclusive9 anionic redox reactions may achieve higher capacity, but at the expense of reversibility. Here we report a halogen conversion-intercalation chemistry in graphite that produces composite electrodes with a capacity of 243 milliampere-hours per gram (for the total weight of the electrode) at an average potential of 4.2 volts versus Li/Li+. Experimental characterization and modelling attribute this high specific capacity to a densely packed stage-I graphite intercalation compound, C3.5[Br0.5Cl0.5], which can form reversibly in water-in-bisalt electrolyte. By coupling this cathode with a passivated graphite anode, we create a 4-volt-class aqueous Li-ion full cell with an energy density of 460 watt-hours per kilogram of total composite electrode and about 100 per cent Coulombic efficiency. This anion conversion-intercalation mechanism combines the high energy densities of the conversion reactions, the excellent reversibility of the intercalation mechanism and the improved safety of aqueous batteries.
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