Organic Cathode for Aqueous Zn-Ion Batteries: Taming a Unique Phase Evolution toward Stable Electrochemical Cycling

材料科学 阴极 电化学 离子 相(物质) 纳米技术 化学物理 水溶液 化学工程 介孔材料 储能 电极 化学 物理化学 有机化学 热力学 功率(物理) 工程类 物理 催化作用
作者
Dipan Kundu,Pascal Oberholzer,Christos Glaros,Assil Bouzid,Elena Tervoort,Alfredo Pasquarello,Markus Niederberger
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:30 (11): 3874-3881 被引量:487
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.8b01317
摘要

Aqueous zinc ion batteries are highly attractive for large-scale storage applications because of their inherent safety, low cost, and durability. Yet, their advancement is hindered by a dearth of positive host materials (cathode) due to sluggish diffusion of Zn2+ inside solid inorganic frameworks. Here, we report on a novel organic host, tetrachloro-1,4-benzoquinone (also called: p-chloranil), which due to its inherently soft crystal structure can provide reversible and efficient Zn2+ storage. It delivers a high capacity of ≥200 mAh g–1 with a very small voltage polarization of 50 mV in a flat plateau around 1.1 V, which equate to an attractive specific energy of >200 Wh kg–1 at an unparalleled energy efficiency (∼95%). As unraveled by density functional theory (DFT) calculations, the molecular columns in p-chloranil undergo a twisted rotation to accommodate Zn2+, thus restricting the volume change (−2.7%) during cycling. In-depth characterizations using operando X-ray diffraction, electron microscopy, and impedance analysis reveal a unique phase evolution, driven by a phase transfer mechanism occurring at the boundary of solid and liquid phase, which leads to unrestricted growth of discharged/charged phases. By confining the p-chloranil inside nanochannels of mesoporous carbon CMK-3, we can tame the phase evolution process, and thus stabilize the electrochemical cycling.
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