A Redox-Active Iron–Organic Framework Cathodes for Sustainable Magnesium Metal Batteries

阴极 氧化还原 材料科学 储能 金属 电池(电) 无机化学 纳米技术 冶金 化学 量子力学 物理 物理化学 功率(物理)
作者
Yazhen Zhao,Shaopeng Chen,Miao Zhou,Ming Pan,Yukun Sun,Duo Zhang,Shuxin Zhang,Yaru Wang,Mengyang Li,Xiaoqin Zeng,Jun Yang,Jiulin Wang,Yanna NuLi
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (33): 22356-22368 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c06653
摘要

Rechargeable magnesium metal batteries (RMBs) have shown promising prospects in sustainable energy storage due to the high crustal abundance, safety, and potentially large specific capacity of magnesium. However, their development is constrained by the lack of effective cathode materials that can achieve high capacity and stable magnesium storage at a practically reasonable rate. Herein, we construct a three-dimensional (3D) iron(III)-dihydroxy-benzoquinone (Fe2(DHBQ)3) metal–organic framework (MOF) material with dual redox centers of Fe3+ cations and DHBQ2– anions for reversible storage of Mg2+ in RMBs. Spectroscopic analysis and density functional theory (DFT) calculations reveal the redox chemistry of both Fe3+ ions and carbonyls from DHBQ ligands during electrochemical processes. Benefiting from the rational structure, the Fe2(DHBQ)3∥Mg cells exhibit a high reversible capacity of 395.3 mAh/g, large energy density of 463.5 Wh/kg, and high power density of 2456.0 W/kg. Moreover, the high electronic conductivity (8.35 × 10–5 S/cm) and favorable diffusion path of Mg2+ in Fe2(DHBQ)3 endow the cells with exceptional cycling stability and rate capability with a long life of 5000 cycles at 2000 mA/g. The dual redox-active MOF demonstrates a category of advanced cathode materials for high-performance RMBs.
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