Electrochemical Intercalation of Mg2+ into Anhydrous and Hydrated Crystalline Tungsten Oxides

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作者
Ruocun Wang,Ching‐Chang Chung,Yang Liu,Jacob L. Jones,Veronica Augustyn
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:33 (37): 9314-9323 被引量:66
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.7b00705
摘要

The reversible intercalation of multivalent cations, especially Mg2+, into a solid-state electrode is an attractive mechanism for next-generation energy storage devices. These reactions typically exhibit poor kinetics due to a high activation energy for interfacial charge-transfer and slow solid-state diffusion. Interlayer water in V2O5 and MnO2 has been shown to improve Mg2+ intercalation kinetics in nonaqueous electrolytes. Here, the effect of structural water on Mg2+ intercalation in nonaqueous electrolytes is examined in crystalline WO3 and the related hydrated and layered WO3·nH2O (n = 1, 2). Using thin film electrodes, cyclic voltammetry, Raman spectroscopy, X-ray diffraction, and electron microscopy, the energy storage in these materials is determined to involve reversible Mg2+ intercalation. It is found that the anhydrous WO3 can intercalate up to ∼0.3 Mg2+ (75 mAh g–1) and can maintain the monoclinic structure for at least 50 cycles at a cyclic voltammetry sweep rate of 0.1 mV s–1. The kinetics of Mg2+ storage in WO3 are limited by solid-state diffusion, which is similar to its behavior in a Li+ electrolyte. On the other hand, the maximum capacity for Mg2+ storage in WO3·nH2O is approximately half that of WO3 (35 mAh g–1). However, the kinetics of both Mg2+ and Li+ storage in WO3·nH2O are primarily limited by the interface and are thus pseudocapacitive. The stability of the structural water in WO3·nH2O varies: the interlayer water of WO3·2H2O is removed upon exposure to a nonaqueous electrolyte, while the water directly coordinated to W is stable during electrochemical cycling. These results demonstrate that tungsten oxides are potential candidates for Mg2+ cathodes, that in these materials structural water can lead to improved Mg2+ kinetics at the expense of capacity, and that the type of structural water affects stability.
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