Water-Activated VOPO4 for Magnesium Ion Batteries

电解质 阴极 电化学 插层(化学) 化学 快离子导体 化学工程 材料科学 离子 无机化学 电极 物理化学 工程类 有机化学
作者
Xiao Ji,Chen Ji,Fei Wang,Wei Sun,Yunjun Ruan,Miao Liu,Jianjun Jiang,Chunsheng Wang
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:18 (10): 6441-6448 被引量:126
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.8b02854
摘要

Rechargeable Mg batteries, using high capacity and dendrite-free Mg metal anodes, are promising energy storage devices for large scale smart grid due to low cost and high safety. However, the performance of Mg batteries is still plagued by the slow reaction kinetics of their cathode materials. Recent discoveries demonstrate that water in cathode can significantly enhance the Mg-ion diffusion in cathode by an unknown mechanism. Here, we propose the water-activated layered-structure VOPO4 as a novel cathode material and examine the impact of water in electrode or organic electrolyte on the thermodynamics and kinetics of Mg-ion intercalation/deintercalation in cathodes. Electrochemical measurements verify that water in both VOPO4 lattice and organic electrolyte can largely activate VOPO4 cathode. Thermodynamic analysis demonstrates that the water in the electrolyte will equilibrate with the structural water in VOPO4 lattice, and the water activity in the electrolyte alerts the mechanism and kinetics for electrochemical Mg-ion intercalation in VOPO4. Theoretical calculations and experimental results demonstrate that water reduces both the solid-state diffusion barrier in the VOPO4 electrode and the desolvation penalty at the interface. To achieve fast reaction kinetics, the water activity in the electrolyte should be larger than 10-2. The proposed activation mechanism provides guidance for screening and designing novel chemistry for high performance multivalent-ion batteries.
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