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

法拉第效率 化学 电解质 氧化还原 氯化物 电池(电) 水溶液 电化学 无机化学 离子液体 阳极 化学工程 氯化铵 四甲基铵 离子 离子键合 储能 动力学 阴极 能量密度 电极
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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