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南开大学陶占良教授团队 CEJ：新型聚合物正极助力高性能水系锌离子电池

高分子科技

2022-09-29

导读：将芘-4,5,9,10-四酮（PTO）和1,2,4,5-四氨基苯（4NH2Ph）进行聚合得到新型的聚合物PTO-4NH2Ph...

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近年来，水系锌离子电池由于其绿色环保、安全经济等优点受到科研人员的广泛关注。然而，水系锌离子电池仍然面临一些问题，比如正极材料的溶解和坍塌导致全电池循环性能不佳；二价锌离子与宿主原子的强静电吸引作用导致全电池的倍率性能差等。因此，寻找合适的正极材料对发展高性能水系锌离子电池意义重大。

近期，南开大学陶占良教授团队针对有机电极材料PTO理论容量大、电压适宜但溶解度高、导电性差的特点，将芘-4,5,9,10-四酮（PTO）和1,2,4,5-四氨基苯（4NH₂Ph）进行聚合得到新型的聚合物PTO-4NH₂Ph，并将其作为正极材料应用于水系锌离子电池中。使用4NH₂Ph作为聚合单元可以将PTO单元中的C=O活性位点转化为C=N活性位点，进一步提升聚合物整体的导电性，同时也能够抑制PTO单元的溶解。引入苯环作为连接位点拓展了聚合物的共轭平面，极大抑制了容量的损失。另外，C=N活性位点暴露在聚合物分子表面，载流子可以迅速活性位点结合。因此，PTO-4NH₂Ph材料也可以提供更快的离子转移动力学。组装的Zn//3 M ZnSO₄//PTO-4NH₂Ph水系锌离子电池表现出令人满意的电化学性能。在5 A g^-1的电流密度下循环5000圈容量保持率为83%。在100 C (25 A g^-1)时放电容量为128.5 mAh g^-1。其成果以题为 “Proton-insertion dominated polymer cathode for high-performance aqueous zinc-ion battery” 在国际知名期刊 Chemical Engineering Journal 上发表。

图1. 合成路径及结构表征.

图2. 理论计算.

图3. 电化学性能.

图4. 电化学性能.

图5. 机理表征.

另外，作者利于芳香性指标（HOMA，NICS(1)ZZ和LOL-π）来评估聚合物分子的芳香性。计算结果表明PTO-4NH₂Ph分子在中性和得电子状态（PTO-4NH₂Ph^2-，PTO-4NH₂Ph^4-）仍表现出较高的芳香性，因此具有较好的结构稳定性。通过理论计算模拟了PTO-4NH₂Ph和PTO分子在中性和得电子状态下与水分子的结合能力。相比于PTO，不同状态的PTO-4NH₂Ph分子与水分子的结合能力更弱，表明PTO-4NH₂Ph分子在氧化还原过程中更不易溶解。最后，作者通过了一系列手段 (如XRD，FTIR，XPS, TEM-Mapping深度分析等)证实了氢离子主导的脱嵌入机理。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722048033

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