ACS Energy Letters：具有超长寿命的有机水合氢离子电池

第一作者：王艳荣

通讯作者：王艳荣*，王永刚*

单位：扬州大学，复旦大学

近年来，水合氢离子（H₃O⁺）作为载流子表现出低成本和高电导率的优势。然而，目前只有少数材料能够用于可逆储存H₃O⁺。得益于有机物电极独特的储存能机制，通常表现出较快的倍率性能。大多数有机物电极在储H₃O⁺过程中面临不稳定及溶解性的问题，导致有限的循环寿命（<5000圈）。

在这项工作中，我们证实了二苯并[b, i]噻吩醌-5,7,12,14-四酮（DTT）在酸性电解液中表现出优异的储H₃O⁺能力，构筑的MnO₂@GF//DTT全电池表现出超长的循环稳定性（>20000圈），并能在低温环境中正常运行。我们希望这项工作能够激励更多的醌类或其他有机物在水系二次电池中取得更多有益的成果。

基于此，来自扬州大学的王艳荣博士与复旦大学的王永刚教授合作，在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Organic Hydronium-Ion Battery with Ultralong Life”的研究论文。该论文展示了一种在酸性电解质中可逆容纳H₃O⁺的有机醌DTT负极，并对其进行了一系列的材料表征和电化学测试研究。

理论计算表明，DTT储H₃O⁺过程中经历了一个双电子和随后的单电子氧化还原过程。同时还构建了MnO₂@GF//DTT全电池，并分析其电化学性能。构筑的MnO₂@GF//DTT全电池表现出超长的循环稳定性（>50000圈），容量保持率为72%，并且能在-70°C低温环境中也能很好地运行，这意味着在低温环境中有很好的应用前景。

图 1. 水合氢离子电池示意图

设计了一种有机醌类 二苯并[b, i]噻吩醌-5,7,12,14-四酮（DTT）用于水合氢离子电池的阳极，得益于其可逆的醌/氢醌转化反应机理，及低溶解度和结构稳定性的特点，DTT负极表现出快速电荷存储动力学和长循环稳定性。其在0.05 A g_DTT⁻¹时的比容量为212 mAh g_DTT⁻¹。

要点二：

密度泛函理论（DFT）计算表明，DTT储H₃O⁺过程中经历了一个双电子和随后的单电子氧化还原过程，与实验结果吻合较好。

要点三：

为了探究全电池的电化学性能，组装的MnO₂@GF//DTT全电池在2 A g_DTT⁻¹显示出超过50000圈的超长循环稳定性，且容量保持率高达72%。

要点四：

MnO₂@GF//DTT全电池可以在-70°C的低温环境中很好地工作，保持着较高的比容量及循环的稳定性。

Organic Hydronium-Ion Battery with Ultralong Life

王艳荣博士简介：2018年9月毕业于南京大学化学化工学院，获南京大学理学博士学位，导师：刘杰教授和金钟教授。同年进入复旦大学化学系做博士后，合作导师：夏永姚教授和王永刚教授。2020年11月入职扬州大学化学化工学院（创新材料与能源研究院）（校聘教授）。

目前主要从事新型能源存储材料与转换技术，以第一作者及通讯身份在Advanced Materials（2）, ACS energy letters（1）, ACS nano（1）, Energy Storage Materials（3）等学术期刊发表SCI论文十多篇。入选江苏省“双创博士”人才计划；扬州市“绿扬金凤”人才计划；江苏省“科技副总”；主持2021年江苏省高等学校自然科学面上项目；2022年校创新培育基金。

通讯作者文章包括 Science adv.(1), Nature Commun. (4), Angew. Chem. Int. Ed. (20), Adv. Mater. (7), Joule (2), Chem (1), Energy & Environ. Sci. (6), Adv. Energy Mater. (5), Adv. Funct. Mater. (4)。荣获2014年度国际电化学委员会应用电化学奖，2016年度中国锂电青年研究奖等奖项就，2017年中国电化学青年奖，2019年国家自然科学二等奖(第二完成人)。

于2016年获得国家自然基金优秀青年基金的资助，2022年获杰出青年基金资助，任ACS Applied Energy Materials 期刊的Associate Editor，以及《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》, 《Science Bulletin》, 《eScience》, 《Battery Energy》, 《Chinese Chemical Letter》 (CCL), 《电化学》，《电池》，《储能科学与技术》等8本期刊的编委。

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