Unraveling the Design Principles of Crystallographic Orientation for Ultralong, 8500 Cycled Fe‐Ion Battery

材料科学 阳极 箔法 水溶液 吸附 分离器(采油) 电池(电) 密度泛函理论 退火(玻璃) 化学物理 离子 晶界 储能 结晶学 金属 同步加速器 化学工程 草酸盐 纳米技术 热电效应 电偶阳极 表面能 成核 锂离子电池 电容 腐蚀
作者
Chao Cheng,Yalan Gu,Ye Hong,D Wang,Pan Feng,Pan Xiong,Kongjun Zhu,Yuanhui Ji,Yuping Wu,Linfeng Hu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adma.73744
摘要

ABSTRACT Rechargeable aqueous Fe‐ion batteries using Fe anodes is very promising in stationary grid‐scale energy storage but suffer from hydrogen evolution (HER) and Fe corrosion. Herein, we present new insights on the design principle of crystallographic orientation of the metallic Fe anode for long lifespan, sustainable Fe‐ion batteries. Guided by a density functional theory simulation on optimal surface energy and adsorption energy, we obtained highly [110] oriented Fe by annealing the commercial Fe foil at 1000°C in Ar/H 2 atmosphere. The [110] oriented Fe foil with the maximum exposure of (110) plane shows the significantly decreased lattice defect, residual stress, and grain boundary density. Consequently, side reactions including HER and by‐product formation were well suppressed with enhanced Fe‐ion diffusion and charge transfer kinetics. Significantly, 8540 cycle‐lifespan at 5.0 A g −1 with 99.3% capacity retention was achieved in the full battery, which is not only very prominent in aqueous Fe 2+ ion battery systems, but also surpasses most of aqueous Zn 2+ , Mg 2+ ion batteries recently reported. Our findings demonstrate that uniform epitaxial Fe 2+ electrodeposition along the surface of preferred oriented Fe anode is an effective strategy to address the troublesome HER and corrosion issues in the aqueous battery using low‐cost, industrial Fe element.
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