Aromatic Organic Small-Molecule Material with (020) Crystal Plane Activation for Wide-Temperature and 68000 Cycle Aqueous Calcium-Ion Batteries

材料科学 水溶液 阳极 普鲁士蓝 化学 无机化学 电化学 电极 有机化学 物理化学
作者
Fan Qiao,Junjun Wang,Ruohan Yu,Meng Huang,Lei Zhang,Wei Yang,Hong Wang,Jinsong Wu,Lei Zhang,Yalong Jiang,Qinyou An
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (22): 23046-23056 被引量:40
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c08645
摘要

Calcium-ion batteries are an emerging energy storage device owing to the low redox potential of Ca2+/Ca and the naturally abundant reserves of the Ca element. However, the high charge density and large radius of Ca2+ lead to a low calcium storage capacity or unsatisfactory cycling performance for most electrode materials. Herein, we report the organic crystal 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic diimide (PTCDI) as an anode material for aqueous calcium-ion batteries (ACIBs) in a water-in-salt electrolyte. PTCDI delivers a high discharge capacity of 131.8 mAh g–1, excellent rate performance (86.2 mAh g–1@10000 mA g–1), and an ultralong life of 68000 cycles (over 470 days) with a high capacity retention of 72.7%. The calcium storage mechanism of PTCDI is shown to be an enolization reaction by in situ attenuated total reflectance Fourier-transform infrared and ex situ X-ray photoelectron spectroscopy. The activation mechanism of PTCDI microribbon splitting along the (020) crystal plane is studied by in situ X-ray diffraction, 3D tomography reconstruction technologies, and ex situ transmission electron microscopy. In addition, the Ca2+ storage sites and diffusion pathways of PTCDI are studied by density functional theory calculations. Finally, by matching a high-voltage Prussian blue analogue cathode, the assembled aqueous calcium-ion full cells exhibit excellent wide-temperature operating capability (−20 to +50 °C) and an ultralong life of 30000 cycles. Further, an aqueous calcium-ion pouch cell is constructed and exhibits a long lifetime of over 500 cycles.
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