吉林大学施展教授AS：高倍率性能非水系可充电钙离子电池正极材料- 大数跨境

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吉林大学施展教授AS：高倍率性能非水系可充电钙离子电池正极材料

科学材料站

2022-03-26

导读：该论文提出通过原位合成聚蒽醌硫醚（PAQS）/碳纳米管（CNT）的复合材料，将其作为非水系钙离子电池正极。

文章信息

聚蒽醌硫醚/碳纳米管复合材料作为高倍率性能非水系可充电钙离子电池正极材料

第一作者：张思祺

通讯作者：施展*

单位：吉林大学

研究背景

由于二价电子氧化还原特性、低成本以及高体积/质量比容量等优势，钙离子电池具有非常大的潜力应用于大规模能源存储。然而，相比于单价阳离子，二价的钙离子与主体晶格具有更强的静电相互作用，这使得钙离子在无机材料中表现出缓慢的扩散能力。

近年来，一些无机正极材料被报道可以进行钙离子的存储，但这些材料普遍具有差的倍率性能和循环寿命。相比之下，有机材料特有的烯醇化氧化还原反应使得钙离子具有更快的扩散速度。因此，开发高性能有机电极材料对于钙离子电池的发展是十分重要的。

文章简介

基于此，来自吉林大学的施展教授，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Poly(Anthraquinonyl Sulfide)/CNT Composites as High-Rate-Performance Cathodes for Nonaqueous Rechargeable Calcium-Ion Batteries”的研究论文。

该论文提出通过原位合成聚蒽醌硫醚（PAQS）/碳纳米管（CNT）的复合材料，将其作为非水系钙离子电池正极。PAQS@34%CNT展现出优越的倍率性能，超过了当前在非水系钙离子电池中报道的无机材料。

此外，CNT的引入不仅显著地提升了PAQS的电子导电率和反应动力学，还降低了PAQS氧化态与还原态之间的电压差。通过机理研究表明，Ca²⁺和Ca(TFSI)⁺共同结合PAQS中的羰基活性位点。最后，通过计算模拟进一步证明Ca²⁺和Ca(TFSI)⁺更倾向于共嵌入到PAQS中。

本文要点

要点一：原位合成PAQS@CNT复合材料

研究人员通过原位合成的方式获得了不同CNT比例的复合材料。通过基本的物性表征可以证明成功获得了PAQS@CNT的复合材料。此外，通过形貌表征发现，在PAQS-34的样品中，PAQS与CNT具有最优的分散性使其拥有更完整的导电网络。

图1. PAQS@CNT的合成示意图以及物性表征。

图2. 不同比例PAQS@CNT复合材料的形貌表征以及PAQS-34的元素分布。

要点二：PAQS@CNT复合材料的电化学性能

由于钙离子和主体晶格之间具有较强的静电相互作用，导致目前报道的大部分无机正极材料的倍率性能较差，仅能在电流密度0.1 A g^-1以下运行。相比之下，PAQS-34展现出优越的倍率性能，超过了目前报道在非水系钙离子电池体系中的无机正极材料。PAQS-34电极在电流密度为0.05 A g^-1时，展现出116 mAh g^-1的比容量。

在电流密度为4 A g^-1时，展现出60 mAh g^-1的比容量。此外，由于CNT的引入很大程度上抑制了PAQS在有机电解液中的溶解，提高了材料的循环稳定性。在电流密度为1 A g^-1时，经过500次循环后，材料的容量保持率为83%。由于电子导电率的提升，改善了材料的反应动力学，因此减小了PAQS氧化态与还原态的电压差。