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Coupling dual metal active sites and low-solvation architecture toward high-performance aqueous ammonium-ion batteries

溶剂化 电解质 水溶液 电化学 阴极 无机化学 氧化还原 溶解 离子 化学 材料科学 化学工程 电极 物理化学 有机化学 工程类
作者
Lingyu Du,Songshan Bi,Min Yang,Zhiwei Tie,Minghui Zhang,Zhiqiang Niu
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:119 (50) 被引量:41
标识
DOI:10.1073/pnas.2214545119
摘要

Aqueous rechargeable ammonium-ion batteries (AIBs) possess the characteristics of safety, low cost, environmental friendliness, and fast diffusion kinetics. However, their energy density is often limited due to the low specific capacity of cathode materials and narrow electrochemical stability windows of electrolytes. Herein, high-performance aqueous AIBs were designed by coupling Fe-substituted manganese-based Prussian blue analog (FeMnHCF) cathodes and highly concentrated NH4CF3SO3 electrolytes. In FeMnHCF, Mn3+/Mn2+-N redox reaction at high potential was introduced, and two metal active redox species of Mn and Fe were achieved. To match such FeMnHCF cathodes, highly concentrated NH4CF3SO3 electrolyte was further developed, where NH4+ ion displays low-solvation structure because of the increased coordination number of CF3SO3- anions. Furthermore, the water molecules are confined by NH4+ and CF3SO3- ions in their solvation sheath, leading to weak interaction between water molecules and thus effectively extending the voltage window of electrolyte. Consequently, the FeMnHCF electrodes present high reversibility during the charge/discharge process. Moreover, owing to a small amount of free water in concentrated electrolyte, the dissolution of FeMnHCF is also inhibited. As a result, the assembled aqueous AIBs exhibit enhanced energy density, excellent rate capability, and stable cycling behavior. This work provides a creative route to construct high-performance aqueous AIBs.
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