Ultra-Stable, Ultra-Long-Lifespan and Ultra-High-Rate Na-ion Batteries Using Small-Molecule Organic Cathodes

阴极 材料科学 插层(化学) 电解质 分子 溶解 离子 电极 纳米技术 化学工程 无机化学 化学 物理化学 有机化学 工程类
作者
Yang Hu,Qihang Yu,Wu Tang,Maozeng Cheng,Xinxin Wang,Sihong Liu,Jian Gao,Ming Wang,Ming Xiong,Jiahui Hu,Changyu Liu,Taotao Zou,Cong Fan
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:41: 738-747 被引量:106
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2021.07.008
摘要

Molecule-aggregation organic electrodes in principle possess the “single-molecule-energy-storage” capability for metal-ion rechargeable batteries. Besides dissolution issue, the effect of possible solvent co-intercalation in liquid electrolytes also devalues the true performance of organic electrodes due to the weak Van der Waals forces among organic molecules. Herein, a small-molecule organic cathode called [N,N’-bis(2-anthraquinone)]-perylene-3,4,9,10-tetracarboxydiimide (PTCDI-DAQ, 200 mAh g−1) can deliver the unprecedented results in sodium-ion batteries (SIBs) by carefully choosing high-concentration electrolytes, which can offer more free sodium ions and decrease the solvent co-intercalation effect. Consequently, PTCDI-DAQ can deliver an ultra-stable capacity above 153 mAh g−1 during a long-lifetime operation test in half cells (10 months at least). In full cells, the resulting PTCDI-DAQ II Na3Bi SIBs can deliver a peak discharge capacity of 206 mAh g−1cathode with an average voltage of 1.2 V, running with no capacity decay over 4 months. Meanwhile, our PTCDI-DAQ II Na3Bi SIBs can re-store a world record of 70% capacity retention (142 mAh g−1cathode) at 20 A g−1cathode (100 C). To the best of our knowledge, PTCDI-DAQ can currently represent the best organic cathode for SIBs in the world; and the integrated performance of our PTCDI-DAQ II Na3Bi SIBs can compete with the best SIBs reported to date.
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