High-Capacity Rechargeable Li/Cl2 Batteries with Graphite Positive Electrodes

化学 石墨 电极 无机化学 化学工程 有机化学 工程类 物理化学
作者
Guanzhou Zhu,Peng Liang,Cheng‐Liang Huang,Cheng-Chia Huang,Yuan‐Yao Li,Shu‐Chi Wu,Jiachen Li,Feifei Wang,Xin Tian,Wei‐Hsiang Huang,Shi‐Kai Jiang,Wei‐Hsuan Hung,Hui Chen,Meng‐Chang Lin,Bing‐Joe Hwang,Hongjie Dai
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (49): 22505-22513 被引量:58
标识
DOI:10.1021/jacs.2c07826
摘要

Developing new types of high-capacity and high-energy density rechargeable batteries is important to future generations of consumer electronics, electric vehicles, and mass energy storage applications. Recently, we reported ∼3.5 V sodium/chlorine (Na/Cl2) and lithium/chlorine (Li/Cl2) batteries with up to 1200 mAh g-1 reversible capacity, using either a Na or a Li metal as the negative electrode, an amorphous carbon nanosphere (aCNS) as the positive electrode, and aluminum chloride (AlCl3) dissolved in thionyl chloride (SOCl2) with fluoride-based additives as the electrolyte [Zhu et al., Nature, 2021, 596 (7873), 525-530]. The high surface area and large pore volume of aCNS in the positive electrode facilitated NaCl or LiCl deposition and trapping of Cl2 for reversible NaCl/Cl2 or LiCl/Cl2 redox reactions and battery discharge/charge cycling. Here, we report an initially low surface area/porosity graphite (DGr) material as the positive electrode in a Li/Cl2 battery, attaining high battery performance after activation in carbon dioxide (CO2) at 1000 °C (DGr_ac) with the first discharge capacity ∼1910 mAh g-1 and a cycling capacity up to 1200 mAh g-1. Ex situ Raman spectroscopy and X-ray diffraction (XRD) revealed the evolution of graphite over battery cycling, including intercalation/deintercalation and exfoliation that generated sufficient pores for hosting LiCl/Cl2 redox. This work opens up widely available, low-cost graphitic materials for high-capacity alkali metal/Cl2 batteries. Lastly, we employed mass spectrometry to probe the Cl2 trapped in the graphitic positive electrode, shedding light into the Li/Cl2 battery operation.
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