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Superior performance of calcium birnessite by electrochemical conversion as cathode for aqueous calcium ion battery

双锰矿 材料科学 水溶液 电化学 化学工程 阴极 电极 电池(电) 离子 功率密度 电容 插层(化学) 储能 纳米片 纳米技术 无机化学 锰 化学 物理化学 冶金 有机化学 工程类 氧化锰
作者
Zhengyi Shi,Jianghua Wu,Mingzhu Ni,Qiubo Guo,Feng Zan,Hui Xia
出处
期刊:Materials Research Bulletin [Elsevier BV]
卷期号:144: 111475-111475 被引量:24
标识
DOI:10.1016/j.materresbull.2021.111475
摘要

• Hierarchical Ca-birnessite with ultrathin and intertwined nanosheets structure converted from Mn 3 O 4 is successfully fabricated. • The hybrid Ca-birnessite cathode for aqueous calcium ion battery exhibt large capacity and good cycle performance. • A full cell of Ca-birnessite//PI is constructed and shows an excellent cycling stability with almost no capacity decay after 1500 cycles at 1 a g −1 . Aqueous Ca 2+ ion battery (ACIB) is known as a promising candidate for large-scale grid storage due to its low cost, high performance and safety. However, the large ion size of Ca 2+ (1.00 Å) limits the ability of Ca 2+ to (de)intercalate in the host structure. In this report, hierarchical Ca-birnessite with ultrathin and intertwined nanosheets structure converted from Mn 3 O 4 nanowall arrays (NWAs) was successfully fabricated via an electro-conversion method, showing a fast surface faraday reaction as well as favorable Ca 2+ storage kinetics and properties. When tested in ACIB, the electro-converted Ca-birnessite (ECCB) electrode exhibits an excellent specific capacity of 175 mAh g − 1 at 0.1 A g − 1 , high rate performance (89 mAh g − 1 at 2 A g − 1 ) and long cycling stability (83.2% retention after 2000 cycles at 1 A g − 1 ). A kinetic analysis indicates that the reaction mechanism is dominated by surface-limited capacitance. Moreover, we constructed a balanced 1.9 V full cell of ECCB//PI, which delivers a reversible capacity of 42.1 mAh g − 1 at 0.2 A g − 1 and an energy density of 30.56 Wh kg −1 at power density of 143.4 W kg −1 . Furthermore, the full cell shows an excellent cycling stability with almost no capacity decay after 1500 cycles at 1 A g − 1 . This work offers a new strategy for designing high performance cathodes for aqueous calcium ion battery.

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