利用相鄰分子的羰基與鋅離子結(jié)合構(gòu)筑長壽命的水系鋅-有機物電池
近年來，用于儲能的水系鋅電池引起了廣泛的興趣和關(guān)注，這得益于鋅負極的諸多優(yōu)勢，比如，高比容量（820 mAh g-1）、合適的氧化還原電勢（-0.762 V vs. SEH）、和在水溶液中安全性。近年來，含有羰基的有機物通過可逆的配位反應(yīng)被用于儲存Zn2+，基于有機物電極的電池引起了潛在人們的研究熱情。但是，很多含有羰基的有機物和它們的還原產(chǎn)物在水系電解液中不穩(wěn)定并且易溶解，由此產(chǎn)生的有機物活性材料在正負極間的穿梭使得電池的穩(wěn)定性下降。另外，由于H+在水系電解液中的存在，H+可以同時或者在儲存Zn2+之前和有機物的羰基反應(yīng)，這可能導(dǎo)致有機物在電解液中的不穩(wěn)定性和溶解，從而加劇電池循環(huán)壽命的衰減。到目前為止，有機電極中H+/Zn2+的共反應(yīng)機理尚未見報道，因此，闡明H+/Zn2+在溫和的水溶液電解液中共同和羰基反應(yīng)的機制，對于尋找高穩(wěn)定性的有機物正極材料來構(gòu)建鋅-有機物電池具有重要意義。
近期，復(fù)旦大學(xué)王永剛教授團隊提出了一種新的鋅-有機物電池，其中，電解液是2 M ZnSO4，二苯并[b, i]噻吩醌- 5,7,12,14 -四酮（DTT）和鋅箔分別作為電池的正極和負極。該電池的工作依賴于正極的配位反應(yīng)和負極Zn的沉積/溶解，并伴隨著Zn2+和H+在正負極間的轉(zhuǎn)移。該電池具有210.9 mAh gDTT-1的高比容量和快速的電荷存儲動力學(xué)響應(yīng)。實驗和計算結(jié)果表明，DTT可以同時存儲Zn2+和H+。放電產(chǎn)物可能的結(jié)構(gòu)是DTT2(H+)4(Zn2+)，其中兩個相鄰的DTT分子通過一個Zn2+結(jié)合，提高了該電極的穩(wěn)定性。由于DTT固有的不溶性和放電產(chǎn)物分子穩(wěn)定性的提高，DTT可作為鋅-有機物電池的穩(wěn)定的正極材料。當(dāng)使用厚的隔膜以防止鋅枝晶誘發(fā)電池短路時，DTT//Zn全電池可以循環(huán)超過23000次，這遠遠優(yōu)于以往報道的水系鋅電池。得益于水系電解液的高安全性和較長的使用壽命，他們預(yù)測這種電池在大規(guī)模儲能方面具有潛在的應(yīng)用價值。另外，他們還組裝了柔性DTT//Zn帶狀電池，闡明了其作為可穿戴電子器件電源方面的應(yīng)用潛力。
圖1.（a）DTT//Zn 電池充放電機理示意圖。（b）DTT//Zn電池在0.05 ~ 2 A g-1時的倍率性能。（c）能量密度及功率功率密度圖。（d）DTT//Zn電池在2 A g-1時的長循環(huán)性能。（e）柔性電池DTT//Zn在0.1 A g-1時的充放電曲線。（f）柔性電池在0.5 A g-1時由平面彎曲至180o時的循環(huán)性能。
該論文的第一作者是王艷榮博士后，復(fù)旦大學(xué)的王永剛教授為通訊作者。該工作得到了復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系、先進材料實驗室、國家自然科學(xué)基金、國家重點基礎(chǔ)研究項目等的大力支持。
全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000338
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