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張新波/黃崗/謝海明Angew.:高性能水系有機(jī)鋅電池羥基聚合物正極的原位電化學(xué)活化

張新波/黃崗/謝海明Angew.:高性能水系有機(jī)鋅電池羥基聚合物正極的原位電化學(xué)活化
有機(jī)電極材料緩慢的反應(yīng)動力學(xué)和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定限制了水系鋅有機(jī)電池性能的進(jìn)一步提升。
張新波/黃崗/謝海明Angew.:高性能水系有機(jī)鋅電池羥基聚合物正極的原位電化學(xué)活化
在此,中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所張新波研究員、黃崗研究員&東北師范大學(xué)謝海明教授團(tuán)隊合成了一種帶有惰性羥基的Z折疊羥基聚合物聚四氟氫醌(PTFHQ),該聚合物可以通過原位活化過程部分氧化為活性羰基,然后進(jìn)行Zn2+的儲存/釋放。
在活化的PTFHQ中,羥基和S原子擴(kuò)大了電化學(xué)活性羰基附近的電負(fù)性區(qū)域,增強(qiáng)了其電化學(xué)活性。同時,殘留的羥基可以充當(dāng)親水基團(tuán),增強(qiáng)電解液的潤濕性,同時保證電解液中聚合物鏈的穩(wěn)定性。
張新波/黃崗/謝海明Angew.:高性能水系有機(jī)鋅電池羥基聚合物正極的原位電化學(xué)活化
圖1. PTFHQ-A在2 M Zn(CF3SO32中的反應(yīng)動力學(xué)分析
具體而言,本文設(shè)計了一種羥基聚合物PTFHQ作為構(gòu)建高性能水系有機(jī)鋅電池的電極材料。在PTFHQ中,羥基可以通過原位電化學(xué)活化過程部分轉(zhuǎn)化為羰基,并通過烯醇化作用參與Zn2+的儲存/釋放。同時,剩余的羥基可以增加聚合物在弱酸水溶液中的穩(wěn)定性,并通過加速離子擴(kuò)散增強(qiáng)電極的電解質(zhì)潤濕性。
最重要的是,PTFHQ-A的多官能團(tuán)組成構(gòu)成了更大的電負(fù)性區(qū)域,使得Zn2+與暴露的活性位點充分配合。
得益于這些優(yōu)勢,再加上Z型折疊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和靈活性,PTFHQ-A在0.1 A g-1時的比容量為215 mAh g-1,在20 A g-1時的容量保持率為91%,并且具有顯著的循環(huán)穩(wěn)定性(在3000次循環(huán)中容量保持率為92%)。
總之,該工作擴(kuò)展了對有機(jī)鋅電池反應(yīng)機(jī)理的理解,并為聚合物高效存儲Zn2+提供了新的設(shè)計方向。
張新波/黃崗/謝海明Angew.:高性能水系有機(jī)鋅電池羥基聚合物正極的原位電化學(xué)活化
圖2. PTFHQ-A的理論計算
In-Situ Electrochemical Activation of Hydroxyl Polymer Cathode for High-Performance Aqueous Zinc–Organic Batteries,?Angewandte Chemie International Edition?2023

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