Mg-Ion Battery Electrode: An Organic Solid’s Herringbone Structure Squeezed upon Mg-Ion Insertion

化学 离子 电极 电池(电) 物理化学 热力学 物理 功率(物理) 有机化学
作者
Ismael A. Rodríguez‐Pérez,Yifei Yuan,Clement Bommier,Xingfeng Wang,Lu Ma,Daniel P. Leonard,Michael M. Lerner,Rich G. Carter,Tianpin Wu,P. Alex Greaney,Jun Lü,Xiulei Ji
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:139 (37): 13031-13037 被引量:180
标识
DOI:10.1021/jacs.7b06313
摘要

We report that crystalline 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA), an organic solid, is highly amenable to host divalent metal ions, i.e., Mg2+ and Ca2+, in aqueous electrolytes, where the van der Waals structure is intrinsically superior in hosting charge-dense ions. We observe that the divalent nature of Mg2+ causes unique squeezing deformation of the electrode structure, where it contracts and expands in different crystallographic directions when hosting the inserted Mg-ions. This phenomenon is revealed experimentally by ex situ X-ray diffraction and transmission electron microscopy, and is investigated theoretically by first-principles calculations. Interestingly, hosting one Mg2+ ion requires the coordination from three PTCDA molecules in adjacent columns of stacked molecules, which rotates the columns, thus reducing the (011) spacing but increasing the (021) spacing. We demonstrate that a PTCDA Mg-ion electrode delivers a reversible capacity of 125 mA h g–1, which may include a minor contribution of hydronium storage, a good rate capability by retaining 75 mA h g–1 at 500 mA g–1 (or 3.7 C), and a stable cycle life. We also report Ca2+ storage in PTCDA, where a reversible capacity of over 80 mA h g–1 is delivered.

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