吉林大学&卧龙岗大学Nano energy： 新型具有可溶性 Mg（OH）2 的储存特性的碱性锌电池

第一作者：龚神根

通讯作者：晁单明*，王彩云*，贾晓腾*

单位：吉林大学，卧龙岗大学

随着对高性能、低成本的电网储能、便携式电子产品和电动汽车的需求不断增加，水系锌基电池由于其固有的优势而受到广泛关注。为了实现高电化学性能，锌基电池在中性电解质等方面做出了大量努力。然而，对可实现更高容量的可充电碱性锌电池的探索尚不足，尤其是新型的新型可充电碱性锌电池。

基于此，来自吉林大学化学学院晁单明教授课题组和卧龙岗大学王彩云课题组在Nano energy上发表题为“ Doping of magnesium ions into polyaniline enables high-performance Zn-Mg alkaline batteries ”。吉林大学化学学院龚神根博士为本工作的第一作者。吉林大学电子科学与工程学院贾晓腾教授为文章的共同通讯作者。我们通过二次掺杂的方式在聚苯胺上掺杂镁离子而实现锌镁碱性电池的首次构筑。一方面由于主体材料为PANI，这使得镁离子在与氢氧根的结合方式发生改变，能够成为锌镁碱性电池的阴极材料。另一方面利用PANI的电中性掺杂机制实现对氢氧根阴离子的吸附，而不是形成难溶的氢氧化镁阻止进一步的存储电荷反应,这也防止镁离子大量迁移造成锌负极无法发生氧化还原反应。

为了验证PAMG材料的结构稳定性，我们进行了电化学测试并进行动力学分析。图4a是在电压窗口为0.3-1.8 V处不同扫描速率的CV曲线。扫描速率从0.8 mV s^-1增至8 mV s^-1过程中, CV曲线形状没有明显变化，表明其良好的倍率能力。图4c显示了在扫描速率为8 mV s^-1时的CV曲线，其表面电容高达82.79%。图4d清楚地表明，随着扫描速率的增加，表面电容贡献逐渐升高(34.87%-82.79%)，这表明PAMG电池的电化学过程主要是由表面电容控制起主导作用并具有较快的反应动力学。

要点二：理论计算分析

通过理论计算分析，结构优化后的Aniline, PANI和PAMG分子形成高度共轭体系，苯环上的π电子和胺基氮上的p电子之间存在扩展共轭作用，因此电子可在整个分子中离域。为了分析电子云分布，我们对分子静电势（ESP）进行了理论计算(图6a)。结果表明，相比Aniline和PANI，掺杂后的PAMG材料的形成几乎完全对称电子云分布。这种对称排列阻止了电子云的移动，整个分子的电负性降低，将会有更高的放电电压。同时，PAMG材料的HOMO与LOMO的能级差(ΔE=3.45 eV)更小，表明PAMG材料的电子导电能力优于PANI(图6b)。这也证明了镁离子能够调控局部电子云密度,增大苯环的π电子共轭，可有效提升材料的电子导电能力。

要点三：前瞻

本文试图构建新型的可充电碱性锌镁电池（PAMG），通过利用PANI的电中性掺杂机制实现对氢氧根阴离子的吸附，而不是形成难溶的氢氧化镁从而保证进一步的存储电荷反应。得益于这样的设计，在电流密度为1.0 A g^-1下，PAMG经过5000次循环后仍具有96.8%的剩余容量（73.2-70.9 mAh g^-1），库伦效率始终保持在99.8%以上。理论计算和实验均表明掺杂后改善了导电性和和放电平台。这项工作能期盼够推动锌电池和其他高性能储能系统的进一步发展。

Doping of magnesium ions into polyaniline enables high-performance Zn-Mg alkaline batteries

贾晓腾 副教授  吉林大学电子科学与工程学院副教授，吉林大学电子科学与工程学院生物医学工程系副系主任。

主要研究领域：

1、柔性可穿戴敏感材料与传感器

2、电子皮肤与人机交互界面

3、生物电信号测量与电刺激治疗

主持了国家自然科学基金青年项目、吉林省自然科学基金、博士后特别资助等项目。发表SCI论文30余篇，被引用1200余次。

晁单明 教授  吉林大学化学学院 教授

主要研究领域：电活性聚合物设计合成及应用。

长期从事电活性聚合物设计合成及应用，包括柔性可穿戴设备、智能储能器件、电致变色智能窗、反射/发射双模显示、颜色/荧光传感检测等方面。发表SCI学术论文130多篇，被引用3000余次，已获授权发明专利20项，转让专利4项，承担国家自然科学金面上项目、青年项目、吉林省自然科学基金等项目十余项。

王彩云，高级研究员,任职于澳大利亚卧龙岗大学（University of Wollongong）智能高分子研究所，

主要从事导电聚合物的开发，可穿戴的、具有生物相容性的储能2D材料（石墨烯，二硫化钼等）的研发，电催化CO₂还原的杂原子掺杂碳材料的研究。共计发表文章70余篇，IF>6的 40余篇。在业内顶级期刊Advanced Material, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, and Chemistry of Materials等发表多篇文章。总引用数超过2000次，H因子25。