Ultra‐High Capacity and Cyclability of β‐phase Ca0.14V2O5as a Promising Cathode in Calcium‐Ion Batteries

阴极 材料科学 电解质 阳极 相(物质) 离子 电化学 氧气 结晶学 金属 分析化学(期刊) 电极 冶金 物理化学 化学 有机化学 色谱法
作者
S. J. Richard Prabakar,Amol Bhairuba Ikhe,Woon Bae Park,Docheon Ahn,Kee‐Sun Sohn,Myoungho Pyo
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (29) 被引量:8
标识
DOI:10.1002/adfm.202301399
摘要

Abstract Crystalline water‐free β‐phase Ca 0.14 V 2 O 5 is reported for the first time as a viable cathode material for calcium‐ion batteries (CIBs). In contrast to layered α‐V 2 O 5 and δ‐Ca x V 2 O 5 ·nH 2 O, which have limited capacity, the β‐phase delivers a reversible capacity of ≈247 mAh g −1 , which corresponds to the insertion/extraction of Ca 2+ between Ca 0.14 V 2 O 5 and Ca 1.0 V 2 O 5 . The process of Ca 2+ insertion process and the accompanying structural relaxation are theoretically and experimentally verified. The initial insertion of Ca 2+ into Ca 0.14 V 2 O 5 causes a slight shift of oxygen atoms surrounding hepta‐coordination sites, creating penta‐coordinated sites that are then partially filled up to Ca 0.33 V 2 O 5 . Further insertion occurs through the stepwise occupation of up to 50% of neighboring hexa‐ and tetra‐coordination sites to form Ca 0.67 V 2 O 5 and Ca 1.0 V 2 O 5 , respectively. The rearrangement of oxygen atoms in Ca 0.14 V 2 O 5 also minimizes dimensional changes, leading to high cyclic stability during repeated charge/discharge cycles. The remarkable electrochemical performance of full cells containing a Ca 0.14 V 2 O 5 cathode and a K metal anode in Ca 2+ /K + hybrid electrolytes, is also demonstrated, thanks to the inertness of K + insertion into Ca 0.14 V 2 O 5 and the absence of calcium plating/stripping. The cyclic stability and high capacity of Ca 0.14 V 2 O 5 is not compromised in hybrid electrolytes, making it a viable CIB cathode.
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