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An Advanced High‐Performance Ultrafast Ammonium‐Ion Aqueous Battery Based on Dual‐Metal Redox Open Framework Molecular Magnet

材料科学 普鲁士蓝 水溶液 阳极 法拉第效率 阴极 X射线光电子能谱 氧化还原 电化学 密度泛函理论 化学工程 介电谱 分析化学(期刊) 无机化学 光谱学 晶体结构 晶格常数 石墨 电池(电) 扩展X射线吸收精细结构
作者
Nilasha Maiti,Pramod Kumar Bhatt,Manoj K. Sharma,Sher Singh Meena,Mayuresh D. Mukadam,Soumen Samanta
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:13 (12): e14287-e14287 被引量:4
标识
DOI:10.1002/advs.202514287
摘要

Abstract We report a potassium manganese–iron hexacyanoferrate (KMnFeHCF) Prussian blue analog molecular magnet as a promising, low‐cost, environmentally friendly cathode for metal‐free ammonium‐ion aqueous batteries. KMnFeHCF crystallizes in a face‐centered cubic structure ( Fm3m , lattice constant ≈ 10.19 Å) and exhibits a weak ferromagnetism, with Mössbauer spectroscopy confirming a mixed‐valence Fe⁺ 3 /Fe⁺ 2 states. The material delivers a high specific capacity of ~145 mAh/g at 3 A/g, and ~130 mAh/g at 5 A/g along with excellent coulombic efficiency of 97%. Electrochemical performance is governed by reversible Fe²⁺/Fe³⁺ and Mn²⁺/Mn³⁺ redox transitions supported by the open‐framework tunnel‐like crystal structure which effectively accommodates structural distortions during ammoniation/de‐ammoniation. X‐ray photoelectron spectroscopy confirms mixed +2/+3 oxidation states for Fe and Mn. Density functional theory calculations show ammonium insertion induces tensile strain along Fe–C≡N–Mn linkages, expanding the lattice. The calculated migration barrier for NH 4 ⁺ transport between 8c sites via the 24d site is 1.29 eV, reflecting favourable ion mobility. A full cell with a graphite anode achieves 71 mAh/g at 1.25 A/g and 51 mAh/g at 2.2 A/g, operating efficiently up to 1.8 V. It retains 50% capacity after 1850 cycles. Galvanostatic intermittent titration technique reveals a diffusion coefficient of 8.28 × 10 −8 cm²/s, confirming fast transport kinetics.
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