同济大学化学科学与工程学院刘明贤团队提出构建高性能水系锌-有机电池新策略,研究成果发表于《先进功能材料》

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近年来,有机小分子因其高密度氧化还原位点和高理论容量被广泛用作水系锌离子电池的正极材料,但存在电导率低且易溶于电解液问题,引发电池容量快速衰减。此外,有机电极材料的性能也取决于电荷载体的扩散/配位动力学。与传统Zn2+储存相比,非金属NH4+电荷载体具有柔性四面体结构、独特择优取向性、小的离子半径和质量,并且可以通过氢键作用与正极活性基团配位,从而有效提升锌离子电池的循环稳定性。这些优势使得NH4+离子成为构筑先进锌-有机电池理想的电荷载体。然而,如何设计兼具高密度氧化还原位点、高电子导电性和稳定NH4+存储的有机小分子正极材料在水系锌-有机电池研究中颇具挑战。同济大学化学科学与工程学院刘明贤教授团队长期致力于高效储能材料研究并应用于新能源电池开发,近期该课题组设计了一种具有多活性位点氮杂环有机正极材料,解决了有机小分子易溶解的问题,构建了快速和稳定的水系锌-有机电池,相关研究成果以“Duodecuple H-Bonded NH4+ Storage in Multi-Redox-Site N-Heterocyclic Cathode for Six-Electron Zinc-Organic Batteries”为题发表于国际知名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。

研究人员合成的有机正极材料为二吡嗪[2,3-f:2′,3′-h]喹喔啉-2,3,6,7,10,11-六腈(DQH)。实验表征和理论计算表明DQH具有氮杂环π-共轭的芳香结构、多电子亚胺/氰基活性位点和较低能带间隙,有助于加快电子转移动力学和电极氧化还原速率,促进高效NH4+耦合电荷存储。

电化学研究实验中,DQH用作水系锌-有机电池正极材料时,表现出高比容量(385 mAh g−1)、高能量密度(254 Wh kg−1)和优异的循环稳定性(30,000次充放电后容量保持率为73.2%)。

异位光谱和分子动力学模拟研究表明了DQH中亚胺/氰基位点NH4+配位十二重氢键作用,其高度稳定的十二重氢键网络有效抑制活性官能团溶解,充分暴露亚胺/氰基活性中心,克服Zn2+去溶剂化能垒过高引起的动力学迟滞问题,有效降低NH4+扩散迁移/反应势垒,促进了超稳定和快速的NH4+电荷载体存储。

理论计算验证了DQH亚胺/氰基位点与NH4+电荷载体存在强相互作用,稳定的两步6e− NH4+配位促进电极/电解质界面电荷累积,显著提高了NH4+存储容量。最终,NH4+配位氢键化学克服了DQH在电解质中的稳定性障碍,实现了非金属电荷载体快速扩散动力学。这项研究为解决有机小分子材料的固有溶解问题,构建高性能水系锌-有机电池提供了一种新的策略。

刘明贤教授为论文通讯作者,博士生张叶慧为论文第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委和中国博士后科学基金会资助。

责编: 爱集微
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