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南開大學(xué)陶占良教授團(tuán)隊(duì) CEJ:新型聚合物正極助力高性能水系鋅離子電池
2022-09-29  來源:高分子科技

  近年來,水系鋅離子電池由于其綠色環(huán)保、安全經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)受到科研人員的廣泛關(guān)注。然而,水系鋅離子電池仍然面臨一些問題,比如正極材料的溶解和坍塌導(dǎo)致全電池循環(huán)性能不佳;二價(jià)鋅離子與宿主原子的強(qiáng)靜電吸引作用導(dǎo)致全電池的倍率性能差等。因此,尋找合適的正極材料對(duì)發(fā)展高性能水系鋅離子電池意義重大。



  近期,南開大學(xué)陶占良教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)有機(jī)電極材料PTO理論容量大、電壓適宜但溶解度高、導(dǎo)電性差的特點(diǎn),將芘-4,5,9,10-四酮(PTO)和1,2,4,5-四氨基苯(4NH2Ph)進(jìn)行聚合得到新型的聚合物PTO-4NH2Ph,并將其作為正極材料應(yīng)用于水系鋅離子電池中。使用4NH2Ph作為聚合單元可以將PTO單元中的C=O活性位點(diǎn)轉(zhuǎn)化為C=N活性位點(diǎn),進(jìn)一步提升聚合物整體的導(dǎo)電性,同時(shí)也能夠抑制PTO單元的溶解。引入苯環(huán)作為連接位點(diǎn)拓展了聚合物的共軛平面,極大抑制了容量的損失。另外,C=N活性位點(diǎn)暴露在聚合物分子表面,載流子可以迅速活性位點(diǎn)結(jié)合。因此,PTO-4NH2Ph材料也可以提供更快的離子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)。組裝的Zn//3 M ZnSO4//PTO-4NH2Ph水系鋅離子電池表現(xiàn)出令人滿意的電化學(xué)性能。在5 A g-1的電流密度下循環(huán)5000圈容量保持率為83%。在100 C (25 A g-1)時(shí)放電容量為128.5 mAh g-1。其成果以題為 “Proton-insertion dominated polymer cathode for high-performance aqueous zinc-ion battery” 在國際知名期刊 Chemical Engineering Journal 上發(fā)表。 



圖1. 合成路徑及結(jié)構(gòu)表征. 



圖2. 理論計(jì)算.


圖3. 電化學(xué)性能.
 

圖4. 電化學(xué)性能.

 圖5. 機(jī)理表征.


  另外,作者利于芳香性指標(biāo)(HOMA,NICS(1)ZZ和LOL-π)來評(píng)估聚合物分子的芳香性。計(jì)算結(jié)果表明PTO-4NH2Ph分子在中性和得電子狀態(tài)(PTO-4NH2Ph2-,PTO-4NH2Ph4-)仍表現(xiàn)出較高的芳香性,因此具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過理論計(jì)算模擬了PTO-4NH2Ph和PTO分子在中性和得電子狀態(tài)下與水分子的結(jié)合能力。相比于PTO,不同狀態(tài)的PTO-4NH2Ph分子與水分子的結(jié)合能力更弱,表明PTO-4NH2Ph分子在氧化還原過程中更不易溶解。最后,作者通過了一系列手段 (如XRD,F(xiàn)TIR,XPS, TEM-Mapping深度分析等)證實(shí)了氫離子主導(dǎo)的脫嵌入機(jī)理。


  原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722048033

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