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Are Redox‐Active Organic Small Molecules Applicable for High‐Voltage (>4 V) Lithium‐Ion Battery Cathodes?

电化学 电解质 阴极 锂(药物) 电池(电) 氧化还原 循环伏安法 锂离子电池 有机自由基电池 化学 无机化学 离子 材料科学 电极 物理化学 有机化学 热力学 医学 功率(物理) 物理 内分泌学
作者
Yuto Katsuyama,Hiroaki Kobayashi,Kazuyuki Iwase,Yoshiyuki Gambe,Itaru Honma
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:9 (12) 被引量:9
标识
DOI:10.1002/advs.202200187
摘要

While organic batteries have attracted great attention due to their high theoretical capacities, high-voltage organic active materials (> 4 V vs Li/Li+ ) remain unexplored. Here, density functional theory calculations are combined with cyclic voltammetry measurements to investigate the electrochemistry of croconic acid (CA) for use as a lithium-ion battery cathode material in both dimethyl sulfoxide and γ-butyrolactone (GBL) electrolytes. DFT calculations demonstrate that CA dilitium salt (CA-Li2 ) has two enolate groups that undergo redox reactions above 4.0 V and a material-level theoretical energy density of 1949 Wh kg-1 for storing four lithium ions in GBL-exceeding the value of both conventional inorganic and known organic cathode materials. Cyclic-voltammetry measurements reveal a highly reversible redox reaction by the enolate group at ≈4 V in both electrolytes. Battery-performance tests of CA as lithium-ion battery cathode in GBL show two discharge voltage plateaus at 3.9 and 3.1 V, and a discharge capacity of 102.2 mAh g-1 with no capacity loss after five cycles. With the higher discharge voltages compared to the known, state-of-the-art organic small molecules, CA promises to be a prime cathode-material candidate for future high-energy-density lithium-ion organic batteries.
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