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High-power Mg batteries enabled by heterogeneous enolization redox chemistry and weakly coordinating electrolytes

氧化还原 阴极 离解(化学) 电池(电) 电解质 电化学 化学 无机化学 化学工程 材料科学 电极 物理化学 热力学 功率(物理) 物理 工程类
作者
Hui Dong,Oscar Tutusaus,Yanliang Liang,Ye Zhang,Zachary W. Lebens-Higgins,Wanli Yang,Rana Mohtadi,Yan Yao
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:5 (12): 1043-1050 被引量:367
标识
DOI:10.1038/s41560-020-00734-0
摘要

Magnesium batteries have long been pursued as potentially low-cost, high-energy and safe alternatives to Li-ion batteries. However, Mg2+ interacts strongly with electrolyte solutions and cathode materials, leading to sluggish ion dissociation and diffusion, and consequently low power output. Here we report a heterogeneous enolization chemistry involving carbonyl reduction (C=O↔C–O−), which bypasses the dissociation and diffusion difficulties, enabling fast and reversible redox processes. This kinetically favoured cathode is coupled with a tailored, weakly coordinating boron cluster-based electrolyte that allows for dendrite-free Mg plating/stripping at a current density of 20 mA cm−2. The combination affords a Mg battery that delivers a specific power of up to 30.4 kW kg−1, nearly two orders of magnitude higher than that of state-of-the-art Mg batteries. The cathode and electrolyte chemistries elucidated here propel the development of magnesium batteries and would accelerate the adoption of this low-cost and safe battery technology. Owing to sluggish Mg-ion dissociation and diffusion, Mg-based batteries have low power densities. Here the authors carry out rational designs for both the cathode and the electrolyte to enable ultrafast kinetics of a Mg metal battery.
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