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Practical Aqueous Calcium-Ion Battery Full-Cells for Future Stationary Storage

电池(电) 材料科学 储能 离子 化学工程 水溶液 工艺工程 纳米技术 冶金 有机化学 化学 热力学 物理 工程类 功率(物理)
作者
Md. Adil,Ananta Sarkar,Amlan Roy,Manas Ranjan Panda,N. Abharana,Sagar Mitra
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (10): 11489-11503 被引量:137
标识
DOI:10.1021/acsami.9b20129
摘要

There is a pressing need for high-rate cycling and cost-effective stationary energy storage systems in concomitance with the fast development of solar, wind, and other types of renewable sources of energy. Aqueous rechargeable Ca-ion batteries have the potential to meet the growing demands of stationary energy storage devices because they are abundant and safe; they can also be manufactured at a low-cost and have a higher volumetric capacity. In this study, we have demonstrated a low-cost, safe, aqueous Ca-ion battery that is based on a low potential, lower specific weight, in situ polymerized polyaniline as an anode, and a high redox-potential open-framework structured potassium copper hexacyanoferrate as a cathode. The charge-discharge mechanism of this battery includes doping/dedoping of NO3- at the anode, and intercalation and deintercalation of Ca-ion at the cathode. This Ca-ion battery works successfully in a 2.5 M Ca(NO3)2 aqueous electrolyte that exhibits 70 Wh kg-1 specific energy at 250 W kg-1 and even maintains a high energy density of 53 Wh kg-1 at a higher rate of 950 W kg-1; this indicates a good rate capability (calculation based on anode active mass). At 0.8 A g-1, the battery provides an average specific capacity of 130 mA h g-1, exhibiting high Coulombic efficiency (∼96%), with 95% capacity retention of over 200 cycles across its life span, which is a new achievement in the electrochemical performance of aqueous Ca-ion batteries. Furthermore, the calcium-ion storage mechanism is investigated using high-end X-ray absorption near edge structure (XANES) and extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) measurements. Thus, this significant electrochemical performance of the anode and the cathode renders the battery a promising candidate in grid-scale storage applications.
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