Calcium-tin alloys as anodes for rechargeable non-aqueous calcium-ion batteries at room temperature

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作者
Zhirong Zhao‐Karger,Yanlei Xiu,Zhenyou Li,Adam Reupert,Thomas Smok,Maximilian Fichtner
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1) 被引量:33
标识
DOI:10.1038/s41467-022-31261-z
摘要

Rechargeable calcium batteries possess attractive features for sustainable energy-storage solutions owing to their high theoretical energy densities, safety aspects and abundant natural resources. However, divalent Ca-ions and reactive Ca metal strongly interact with cathode materials and non-aqueous electrolyte solutions, leading to high charge-transfer barriers at the electrode-electrolyte interface and consequently low electrochemical performance. Here, we demonstrate the feasibility and elucidate the electrochemical properties of calcium-tin (Ca-Sn) alloy anodes for Ca-ion chemistries. Crystallographic and microstructural characterizations reveal that Sn formed from electrochemically dealloying the Ca-Sn alloy possesses unique properties, and that this in-situ formed Sn undergoes subsequent reversible calciation/decalciation as CaSn3. As demonstration of the suitability of Ca-Sn alloys as anodes for Ca-ion batteries, we assemble coin cells with an organic cathode (1,4-polyanthraquinone) in an electrolyte of 0.25 M calcium tetrakis(hexafluoroisopropyloxy)borate in dimethoxyethane. These electrochemical cells are charged/discharged for 5000 cycles at 260 mA g-1, retaining a capacity of 78 mAh g-1 with respect to the organic cathode. The discovery of new class of Ca-Sn alloy anodes opens a promising avenue towards viable high-performance Ca-ion batteries.
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