Unveiling Ion‐Pairing and Anion Dual Charge Carrier in Ca‐Organic Batteries

离子 电解质 溶剂化 二聚体 离解(化学) 材料科学 化学工程 电极 无机化学 化学 溶剂 有机化学 物理化学 工程类
作者
Rui Wang,Liang Jiang,Kangning Zhao,Dongyao Zhu,Lianmeng Cui,Min Wang,Xiaobo Chen,Shaohua Zhu,Qinyou An,Lei Zhang
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:21 (16): e2501631-e2501631 被引量:1
标识
DOI:10.1002/smll.202501631
摘要

Calcium-organic batteries offer sustainable energy storage with high voltage, yet their reaction mechanisms remain unclear. Here, a hidden dual-ion charge storage mechanism is unveiled in poly(anthraquinone imide) (PAQI) using Ca(TFSI)₂/ether-based electrolytes, challenging the conventional Ca2⁺-only storage model. It is demonstrated that Ca2⁺-TFSI⁻ ion pairs co-bind to carbonyl groups during the first electron transfer, followed by TFSI⁻ dissociation to activate adjacent carbonyl sites in the second step-a process reversible upon charging. This mechanism critically depends on electrolyte solvation structures: G4 (tetraglyme) uniquely stabilizes monodentate CaTFSI⁺ contact ion pairs (versus multidentate aggregates in [G1 (monoglyme)/G2 (diglyme)] due to its optimal Ca2⁺ solvation energy, enabling exceptional performance. The PAQI/G4 system achieves a discharge capacity of 114 mAh g⁻¹ at 20 mA g⁻¹ and ultralong cycling (10 000 cycles with 94.5% capacity retention at 1000 mA g⁻¹), surpassing prior calcium-organic batteries at room temperature. This work redefines cation-anion interplay in organic electrodes and establishes electrolyte solvation engineering as a pivotal strategy for high-performance, durable calcium battery systems.
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