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High-Energy Sn–Ni and Sn–Air Aqueous Batteries via Stannite-Ion Electrochemistry

化学 电化学 过电位 阳极 法拉第效率 水溶液 阴极 化学工程 物理化学 电极 工程类 有机化学
作者
Wanhai Zhou,Ming Song,Pei Liang,Xinran Li,Xin Liu,Hongpeng Li,Tengsheng Zhang,Boya Wang,Ruizheng Zhao,Zaiwang Zhao,Wei Li,Dongyuan Zhao,Dongliang Chao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (19): 10880-10889 被引量:78
标识
DOI:10.1021/jacs.3c03039
摘要

Tin is promising for aqueous batteries (ABs) due to its multiple electrons' reactions, high corrosion resistance, large hydrogen overpotential, and excellent environmental compatibility. However, restricted to the high thermodynamic barrier and the poor electrochemical kinetics, efficient alkaline Sn plating/stripping at facile conditions has not yet been realized. Here, for the first time, we demonstrate a highly reversible stannite-ion electrochemistry and construct a novel paradigm of high-energy Sn-based ABs. Combined spectroscopic characterization, electrochemical evaluation, and theoretical computation reveal the thermodynamic merits with a low reaction energy barrier and feasible H2O participation in Sn-ion reduction as well as the kinetic merits with fastened surface charge transfer and SnO22- diffusion. The resultant alkaline Sn anode delivers a low potential of -1.07 V vs Hg/HgO, a specific capacity of 450 mA h g-1, a Coulombic efficiency of near 100%, superb rate capability at 45.5 A g-1, and excellent cycling durability without dendrite and dead Sn. As a proof of concept, we developed new high-energy Sn-based ABs, including 1.45 V Sn-Ni with 314 W h kg-1 (58 kW kg-1 and over 15,000 cycles) and 1.0 V Sn-air with 420 W h kg-1 (lifespan over 1900 h), on the basis of masses from cathode and anode active materials. The findings prove the feasibility of the alkaline Sn metal anode, and the new suite of high-energy Sn-based ABs may be of immediate benefit toward safe, reliable, and affordable energy storage.
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