Strategy for Ultrafast Cathode Reaction in Magnesium-Ion Batteries Using BF4 Anion Based Dual-Salt Electrolyte Systems: A Case Study of FePO4

电解质 阴极 电化学 无机化学 电池(电) 化学 盐(化学) 离子 四氟硼酸盐 离子液体 电极 材料科学 物理化学 催化作用 有机化学 功率(物理) 物理 量子力学
作者
Yu Chikaoka,Naomasa Nakata,Kenta Fujii,Saki Sawayama,Riko Ochi,Etsuro Iwama,Naohisa Okita,Yuta Harada,Yuki Orikasa,Wako Naoi,Katsuhiko Naoi
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:6 (9): 4657-4670 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acsaem.2c04182
摘要

Mg2+ secondary batteries are remarkably safe, resourceful, and exhibit high energy density. However, the excessively slow reaction kinetics at Mg2+-battery cathode materials results in charge–discharge over 10–60 h at room temperature, hindering the performance evaluation and mechanistic analysis of the electrode materials. In this study, we developed a dual-salt electrolyte comprising a conventional magnesium salt, magnesium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide [Mg(TFSA)2], and a quaternary ammonium salt, spiro-(1,1′)-bipyrolidinium tetrafluoroborate (SBPBF4), for achieving high-rate performance in the cathode reaction. In a charge–discharge test conducted using a highly defective FePO4 cathode, the dual-salt system [0.5 M Mg(TFSA)2 + 0.5–2.0 M SBPBF4] showed a high capacity of over 150 mAh g–1 at 0.5C-rate, even at room temperature. In situ X-ray absorption fine structure measurements demonstrated the Fe2+/Fe3+ redox reaction of the FePO4 cathode during the charge–discharge, whereas Raman analysis and molecular dynamics simulation indicated that the multiple-anion-coordinated [Mg2+–BF4–] structure was more effective in facilitating Mg2+ insertion/extraction than the [Mg2+–TFSA–] structure, which has a lower number of coordinated anions. These findings indicate that the Mg2+ insertion/extraction at the cathode/electrolyte interface is drastically improved by using a combination of typically used electrolytic salts as the electrolyte. This strategy enables rapid evaluation of the electrochemical performance of various Mg2+-battery cathodes without high-temperature and prolonged operation.
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