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Rechargeable Seawater-Based Chloride-Ion Batteries Enabled by Covalent Surface Chemistry in MXenes

化学 MXenes公司 电解质 海水 水溶液 氯化物 储能 离子 无机化学 电极 化学工程 有机化学 海洋学 地质学 工程类 功率(物理) 物理 物理化学 量子力学
作者
Jinlin Yang,Yu Zhang,Yiming Song,Yanzeng Ge,Si Tang,Jing Li,Hui Zhang,Daoxiong Wu,Xinlong Tian
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (37): 25680-25688 被引量:14
标识
DOI:10.1021/jacs.4c07809
摘要

Rechargeable aqueous chloride-ion batteries (ACIBs) using Cl- ions as charge carriers represent a promising energy-storage technology, especially when natural seawater is introduced as the electrolyte, which can bring remarkable advantages in terms of cost-effectiveness, safety, and environmental sustainability. However, the implementation of this technology is hindered by the scarcity of electrodes capable of reversible chloride-anion storage. Here, we show that a Ti3C2Clx MXene with Cl surface terminations enables reversible Cl- ion storage in aqueous electrolytes. Further, we developed seawater-based ACIBs that show a high specific capacity and an exceptionally long lifespan (40000 cycles, more than 1 year) in natural seawater electrolyte. The pouch-type cells achieve a high energy density (50 Wh Lcell-1) and maintain stable performance across a broad temperature range (-20 to 50 °C). Our investigations reveal that the covalent interaction between Cl- ions and Cl-terminated MXene facilitates Cl- ion intercalation into the MXene interlayer, promoting rapid ion migration with a low energy barrier (0.10 eV). Moreover, this MXene variant also enables the reversible storage of Br- ions in an aqueous electrolyte with a long cycle life. This study may advance the design of anion storage electrodes and enable the development of sustainable aqueous batteries.
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