吉林大学，晁单明教授，Angew：双功能电位结构设计打破高容量电极的电解液局限

第一作者：龚神根

通讯作者：晁单明*，贾晓腾*

单位：吉林大学

可再生能源，如水力发电、光伏发电和风力发电，正在变得越来越便宜。然而，它们的间歇性仍然是一个挑战，必须通过开发储能设备来解决。锌离子电池（ZIBs）在电网应用中既安全又经济。然而，目前的ZIBs存在容量小、输出电压低的局限性。

近日，吉林大学化学学院晁单明教授课题组在Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Bifunctional potential structure design breaks zinc Ion battery electrolyte limitations”。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副教授为文章的共同通讯作者。在本研究中，我们提出了一种具有双功能电位区的新型有机阴极设计策略。通过二次掺杂方法，铁氰化钾被有效地掺杂到聚苯胺上，实现了具有双功能区的阴极材料（PAF）。PAF材料在ZIBs的运行中实现了1.2 V左右的H⁺和Zn²⁺掺杂聚苯胺的机制Ⅰ和1.8 V左右的[Fe(CN)₆]^3-/4-氧化还原对的机制Ⅱ的两种不同的存储电荷的形式。

机制Ⅱ的实现得益于机制I的聚苯胺通过H⁺掺杂过程在分子链表面形成了局部pH调节，从而提供了一个稳定的反应场所。特别是，这种氧化还原对的引入带来了超高的容量贡献（容量占比高达73.2%）。

由此产生的 Zn//PAF 电池具有出色的电化学性能，在 2.0 V 的超高工作电压下可获得最大比容量（405.2 mAh g^-1）。在电流密度为 2.0 A g^-1 时，电池经过 2000 次循环后仍有 84.2% 的剩余容量，CE 始终高于 99.1%。在以有机和无机锌盐为电解质的电化学过程中，PAF 材料表现出很高的假电容贡献，这表明它们具有快速动力学特性和结构稳定性。密度泛函理论计算和原位pH实验表明，机制I的 H⁺掺杂过程在分子链表面形成了局部 pH调节，为机制II提供了有利的反应环境。

在这里，我们提出了具有双功能电位结构的阴极设计策略。这种双功能电位设计提供了一种新的结构，以一种相互不受干扰和有序的方式存储电荷。其次，为仅在碱性条件下进行氧化还原反应的高容量材料在非碱性电解质中稳定存储电荷提供了新的思路。

贾晓腾  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。

晁单明  吉林大学化学学院 教授