Wide‐Temperature Operation of High‐Capacity Aqueous Chlorine Batteries Enabled by Complexation Chemistry

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作者
Wenjiao Ma,Chun Liu,Youjun Wu,Chengjun Lei,Jinye Li,Ruihong Pan,Xin He,Xiao Liang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (46): e202515933-e202515933 被引量:1
标识
DOI:10.1002/anie.202515933
摘要

Rechargeable aqueous batteries based on the chloride/chlorine (Cl-/Cl2) redox couple offer high theoretical energy density but have been limited by the volatility/disproportionation of chlorine gas and its inherently poor electrochemical reversibility. Previous approaches have relied on operational constraints to achieve desirable efficiency-such as low temperatures (<-40 °C) and/or high charge/discharge rates (>5C)-to mitigate chlorine evolution, but these strategies restrict areal capacity to <1 mAh cm-2 and compromise practical viability. Here, we report a molecularly engineered Cl-/Cl2 redox system stabilized by quaternary ammonium complexation in an acidic chloride electrolyte, enabling both high areal capacity (7 mAh cm-2) and long charge/discharge durations (∼7 h) with >98% coulombic efficiency. The optimized tetraamylammonium chloride (TAACl) forms phase-separated ionic liquid complexes (TAACl3 and TAACl5) with electrochemically generated Cl2, effectively suppressing chlorine volatilization, diffusion, and disproportionation. Paired with a MoO3 anode that reversibly stores protons via intercalation, the MoO3-TAACl full battery demonstrates robust performance across a wide temperature range (-45 to 40 °C). At 25 °C, the battery retains >99% coulombic efficiency over 3000 cycles and maintains excellent cycling stability (>1000 cycles) even at 40 °C. Electrolyte optimization with high-concentration tetramethylammonium chloride (TMACl) and H3PO4 further improves cycle life by enhancing redox kinetics and suppressing side reactions.
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