Complex Hydride‐Based Gel Polymer Electrolytes for Rechargeable Ca‐Metal Batteries

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作者
T. Shinohara,Kazuaki Kisu,Arunkumar Dorai,Kenji Zushida,Hiroshi Yabu,Shigeyuki Takagi,Shin‐ichi Orimo
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:11 (33): e2308318-e2308318 被引量:11
标识
DOI:10.1002/advs.202308318
摘要

Rechargeable Ca batteries offer the advantages of high energy density, low cost, and earth-abundant constituents, presenting a viable alternative to lithium-ion batteries. However, using polymer electrolytes in practical Ca batteries is not often reported, despite its potential to prevent leakage and preserve battery flexibility. Herein, a Ca(BH4)2-based gel-polymer electrolyte (GPE) is prepared from Ca(BH4)2 and poly(tetrahydrofuran) (pTHF) and tested its performance in Ca batteries. The electrolyte demonstrates excellent stability against Ca-metal anodes and high ionic conductivity. The results of infrared spectroscopy and 1H and 11B NMR indicate that the terminal ─OH groups of pTHF reacted with BH4 - anions to form B─H─(pTHF)3 moieties, achieving cross-linking and solidification. Cyclic voltammetry measurements indicate the occurrence of reversible Ca plating/stripping. To improve the performance at high current densities, the GPE is supplemented with LiBH4 to achieve a lower overpotential in the Ca plating/stripping process. An all-solid-state Ca-metal battery with a dual-cation (Ca2+ and Li+) GPE, a Ca-metal anode, and a Li4Ti5O12 cathode sustained >200 cycles, confirming their feasibility. The results pave the way for further developing lithium salt-free Ca batteries by developing electrolyte salts with high oxidation stability and optimal electrochemical properties.
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