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High-Rate Long Cycle-Life Li-Air Battery Aided by Bifunctional InX3 (X = I and Br) Redox Mediators
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2021-01-22 , DOI: 10.1021/acsami.0c15200 Sina Rastegar 1 , Zahra Hemmat 1 , Chengji Zhang 1, 2 , Samuel Plunkett 2, 3 , Jianguo Wen 4 , Naveen Dandu 2 , Tomas Rojas 2 , Leily Majidi 1 , Saurabh N. Misal 1 , Anh T. Ngo 2, 3 , Larry A. Curtiss 2 , Amin Salehi-Khojin 1
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2021-01-22 , DOI: 10.1021/acsami.0c15200 Sina Rastegar 1 , Zahra Hemmat 1 , Chengji Zhang 1, 2 , Samuel Plunkett 2, 3 , Jianguo Wen 4 , Naveen Dandu 2 , Tomas Rojas 2 , Leily Majidi 1 , Saurabh N. Misal 1 , Anh T. Ngo 2, 3 , Larry A. Curtiss 2 , Amin Salehi-Khojin 1
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Redox mediators (RMs) are solution-based additives that have been extensively used to reduce the charge potential and increase the energy efficiency of Li–oxygen (Li–O2) batteries. However, in the presence of RMs, achieving a long cycle-life operation of Li–O2 batteries at a high current rate is still a major challenge. In this study, we discover a novel synergy among InX3 (X = I and Br) bifunctional RMs, molybdenum disulfide (MoS2) nanoflakes as the air electrode, dimethyl sulfoxide/ionic liquid hybrid electrolyte, and LiTFSI as a salt to achieve long cycle-life operations of Li–O2 batteries in a dry air environment at high charge–discharge rates. Our results indicate that batteries with InI3 operate up to 450 cycles with a current density of 0.5 A g–1 and 217 cycles with a current density of 1 A g–1 at a fixed capacity of 1 A h g–1. Batteries with InBr3 operate up to 600 cycles with a current density of 1 A g–1. These batteries can also operate at a higher charge rate of 2 A g–1 up to 200 cycles (for InBr3) and 160 cycles (for InI3). Our experimental and computational results reveal that while X3– is the source of the redox mediator, LiX at the MoS2 cathode, In3+ reacts on the lithium anode side to form a protective layer on the surface, thus acting as an effective bifunctional RM in a dry air environment. This evidence for a simultaneous improvement in the current rates and cycle life of a battery in a dry air atmosphere opens a new direction for research for advanced energy storage systems.
中文翻译：
双功能InX 3（X = I和Br）氧化还原介体辅助的高速长寿命锂空气电池
氧化还原介体（RMs）是基于溶液的添加剂，已广泛用于降低充电电位并提高锂氧（Li–O 2）电池的能效。然而，在存在RM的情况下，以高电流速率实现Li-O 2电池的长循环寿命运行仍然是一个重大挑战。在这项研究中，我们发现了InX 3（X = I和Br）双功能RM，作为空气电极的二硫化钼（MoS 2）纳米薄片，作为溶剂的二甲基亚砜/离子液体混合电解质和LiTFSI之间的新型协同作用Li-O 2电池在干燥空气环境中以高充放电速率的循环寿命操作。我们的结果表明具有InI 3的电池在1 A hg –1的固定容量下，电流密度为0.5 A g –1时最多可运行450个周期，电流密度为1 A g –1时最多可运行217个周期。使用InBr 3的电池可在1 A g –1的电流密度下运行600次。这些电池还可以在2 A g –1的更高充电速率下工作，最多200个循环（对于InBr 3）和160个循环（对于InI 3）。我们的实验和计算结果表明，而X 3 -是氧化还原介体的来源，Lix为所述MOS 2阴极，在3+在锂阳极侧发生反应，在表面上形成保护层，从而在干燥的空气环境中充当有效的双功能RM。同时改善干燥空气中电池的电流速率和循环寿命的这一证据为高级储能系统的研究开辟了新的方向。
更新日期：2021-02-03
中文翻译：
双功能InX 3（X = I和Br）氧化还原介体辅助的高速长寿命锂空气电池
氧化还原介体（RMs）是基于溶液的添加剂，已广泛用于降低充电电位并提高锂氧（Li–O 2）电池的能效。然而，在存在RM的情况下，以高电流速率实现Li-O 2电池的长循环寿命运行仍然是一个重大挑战。在这项研究中，我们发现了InX 3（X = I和Br）双功能RM，作为空气电极的二硫化钼（MoS 2）纳米薄片，作为溶剂的二甲基亚砜/离子液体混合电解质和LiTFSI之间的新型协同作用Li-O 2电池在干燥空气环境中以高充放电速率的循环寿命操作。我们的结果表明具有InI 3的电池在1 A hg –1的固定容量下，电流密度为0.5 A g –1时最多可运行450个周期，电流密度为1 A g –1时最多可运行217个周期。使用InBr 3的电池可在1 A g –1的电流密度下运行600次。这些电池还可以在2 A g –1的更高充电速率下工作，最多200个循环（对于InBr 3）和160个循环（对于InI 3）。我们的实验和计算结果表明，而X 3 -是氧化还原介体的来源，Lix为所述MOS 2阴极，在3+在锂阳极侧发生反应，在表面上形成保护层，从而在干燥的空气环境中充当有效的双功能RM。同时改善干燥空气中电池的电流速率和循环寿命的这一证据为高级储能系统的研究开辟了新的方向。
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