东北大学孙筱琪课题组NC：以大容量小分子醌为正极的可充电水系锌-有机电池- 大数跨境

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东北大学孙筱琪课题组NC：以大容量小分子醌为正极的可充电水系锌-有机电池

科学材料站

2021-07-26

导读：该文报道了以小分子醌化合物四氨基对苯二醌为正极的可充电水系锌电池，研究了引入氨基取代基对醌类有机电极材料的物理性质、电化学性能和储能机理的调控。

文章信息

以大容量小分子醌为正极的可充电水系锌-有机电池

第一作者：林子睿

通讯作者：孙筱琪*

单位：东北大学

研究背景

采用易于通过分子设计系统调控电化学性能的有机正极，搭配具有低成本优势的水系电解液和锌金属负极，可构建具有广阔应用前景的可充电水系锌-有机电池。

本文通过在对苯二醌分子上的2、3、5、6位均引入氨基调控其物理性质和电化学性能，实现了小分子醌化合物四氨基对苯二醌在可充电水系锌-有机电池中大容量稳定储能。

文章简介

本文中，东北大学孙筱琪课题组在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“A high capacity small molecule quinone cathode for rechargeable aqueous zinc-organic batteries”的文章。

该文报道了以小分子醌化合物四氨基对苯二醌（tetraamino-p-benzoquinone，TABQ）为正极的可充电水系锌电池，研究了引入氨基取代基对醌类有机电极材料的物理性质、电化学性能和储能机理的调控。

图1. 伴随质子在正极上嵌入的低活化能放电过程和质子在醌分子间的Grotthuss传导机制。

本文要点

要点一：基于氢键网络调控醌类小分子的物理性质

常见的小分子醌易升华，增加了采用小分子醌构建电极的困难。TABQ分子中有四个氨基和两个羰基，可以形成分子间氢键网络，进而增大分子间作用力。

文章测试了升华行为，发现90 ℃下，对苯二醌在短时间内升华殆尽；而TABQ在150 ℃下依然可长时间稳定存在，未发生升华。另外，由于TABQ分子的对称性，其在ZnSO4电解液中的溶解度仅为1.7 mmol L-1，这为其稳定循环充放电提供了保障。

要点二：利用氨基质子化助力在弱酸性电解液中质子嵌入TABQ正极

之前报道的醌类有机正极在水系锌电池中储能时多伴随锌离子的嵌入/脱出。在本文报道的TABQ正极中，质子主导充放电过程中的离子传输，这归结为在TABQ上引入的氨基。

在水系锌电池的弱酸性电解液中，氨基可质子化，进而促进质子脱溶剂化，并在TABQ周围形成高质子活性环境，有助于电极放电时羰基还原及与质子结合形成羟基。

要点三：基于Grotthuss传导机制实现快速质子传导

在充放电过程中锌离子等多价离子传导时往往伴随着较高的迁移活化能。在TABQ中，质子可借助分子间形成的氢键网络，以Grotthuss机制快速传导。变温恒电流间歇滴定（Galvanostatic Intermittent Titration Technique，GITT）和变温交流阻抗（EIS）测试结果表明，质子迁移活化能低于300 meV。

快速的质子传导保证了TABQ正极具备高容量和优异倍率性能优势，在0.1 A g-1的电流密度下其比容量可达303 mAh g-1，在5 A g-1的大电流密度下仍保持213 mAh g-1的比容量，此外还可实现1000次的稳定循环。

文章链接

A high capacity small molecule quinone cathode for rechargeable aqueous zinc-organic batteries

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24701-9

通讯作者介绍

孙筱琪教授。

博士，教授，博士生导师，入选国家青年高层次人才类项目、辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才。2012年获厦门大学和加拿大滑铁卢大学学士学位，2017年5月获加拿大滑铁卢大学博士学位（导师：Linda F. Nazar教授），2017年5-12月在加拿大滑铁卢大学从事博士后研究工作（合作教授：Linda F. Nazar教授），2017年12月引进东北大学。

主要从事电极材料设计合成、电化学储能应用、及储能机理研究，成果以第一/通讯作者发表在Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commum.、Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.、ACS Energy Lett.、ACS Nano等刊，4篇入选ESI前1%高被引论文，主持国家自然科学基金面上项目等课题。

第一作者介绍

林子睿，东北大学博士在读。

主要从有机电极材料设计，在水系可充电电池中的电化学性能及储能机理研究。