最近，武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)教授和安琴友副研究員在Nano Energy上發(fā)表題為 Salt-Controlled Dissolution in Pigment Cathode 1 for High-Capacity and Long-Life Magnesium Organic Batteries的論文。
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在該論文中作者證明了3，4，9，10-芘四甲酸二酐（PTCDA）作為非水體系中MBs的正極材料，通過對(duì)電解液的鹽溶抑制方法，實(shí)現(xiàn)了快速擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和顯著的鎂存儲(chǔ)性能。PTCDA的可逆容量為126 mA h g?1（200 mA g?1），具有優(yōu)異的倍率性能和良好的循環(huán)穩(wěn)定性（在150周循環(huán)之后仍有100 mA h g?1，）。此外，通過非原位相結(jié)構(gòu)表征和官能團(tuán)的分析，揭示了基于羰基（C=O）和烯醇基（C-O）轉(zhuǎn)化的PTCDA電極的結(jié)構(gòu)演變。
根據(jù)堿金屬離子電池中PTCDA的反應(yīng)機(jī)理，在0.6 V至2.5 V（流程1）的電壓范圍內(nèi)，每個(gè)PTCDA分子都能在充放電過程中傳遞兩個(gè)電子，即理論容量約為144 mA h g?1。因此，實(shí)現(xiàn)PTCDA在有機(jī)電解液體系中的高儲(chǔ)鎂活性，對(duì)其進(jìn)一步開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用具有重要意。
考慮濃度等因素，當(dāng)在1.0 M LiCl APC電解液中循環(huán)時(shí)，PTCDA顯示出最佳的循環(huán)穩(wěn)定性（圖2a）。?圖2b顯示了PTCDA的倍率性能。在電流密度為100 mA g?1時(shí)，PTCDA的初始放電容量為140 mA h g?1。隨著電流密度的增加，PTCDA的可逆容量逐漸減小，在200、300和500 mA g?1下，其Mg存儲(chǔ)容量分別為105、60和40 mA h g?1。當(dāng)電流密度恢復(fù)到200 mA g?1時(shí)，容量可以恢復(fù)到初始值。
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圖2c顯示了電流密度為200 mA g?1時(shí)PTCDA的充放電曲線。放電平臺(tái)位于1.7 V，充電平臺(tái)位于2.1 V。
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與MBs中報(bào)告的其他正極材料相比，PTCDA具有更高的工作電壓平臺(tái)和較小的極化（圖2d）。此外， PTCDA正極的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性顯示(圖2e)其初始容量為126 mA h g?1，即使經(jīng)過150周循環(huán)，可逆容量仍保持100 mA h g?1（200 mA g?1）。在長(zhǎng)循環(huán)過程中，庫(kù)倫效率保持98%。研究結(jié)果表明，有機(jī)材料可以作為高性能和環(huán)保的可充電多價(jià)離子電池的正極材料。
圖3b顯示了兩個(gè)氧化還原峰的電流與掃速的對(duì)數(shù)曲線，b值表示擬合線的斜率。峰1和2相關(guān)的b值分別為0.99和0.98，表明電容貢獻(xiàn)的容量很大。此外，作者還通過恒電流間歇滴定技術(shù)（GITT）計(jì)算有機(jī)晶格中的Mg2+擴(kuò)散系數(shù)。?如圖3c所示，PTCDA提供130 mA h g?1的放電容量，對(duì)應(yīng)于氧化還原過程中的大約2個(gè)電子的轉(zhuǎn)移。
圖5c顯示PTCDA電極在Na-APC和K-APC電解液中的循環(huán)穩(wěn)定性，分別在65周循環(huán)后釋放出104和90 mA h g-1的容量。與LiCl相似，與APC電解液和高放電平臺(tái)相比，含有其他溶解鹽的電解液也顯示出明顯的溶解抑制作用。全文總結(jié)綜上所述，作者證明PTCDA可以作為非水性MBs的正極材料。通過對(duì)含LiCl的APC電解液的鹽溶抑制方法，PTCDA的可逆容量為126 mA h g?1（在200 mA g?1下）、優(yōu)異的倍率性能和良好的循環(huán)穩(wěn)定性（即使在150周循環(huán)之后，在200 mA g?1下仍有100 mA h g?1）。
此外，還將其溶出抑制行為擴(kuò)展到其他可溶鹽（NaCl和KCl）中，使PTCDA的電化學(xué)性能得到顯著改善。該方法有效地實(shí)現(xiàn)了非水體系中主體材料的最大化利用，為高壓大容量有機(jī)電極材料在高能量密度多價(jià)離子電池系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了新的前景。文獻(xiàn)信息Salt-Controlled dissolution in pigment cathode for high-capacity and long-lifemagnesium organic batteries.（Nano Energy 2019,DOI: org/10.1016/j.nanoen.2019.103902）原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.103902
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