东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物

东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物
【研究背景】
当前,具有独特离子配位储能机制的醌类有机材料因具有绿色环保、分子结构多样且可调控等优点,成为水系锌离子电池正极材料研究的热点。大多数小分子醌类化合物在循环过程中存在不可避免的溶解问题,导致容量快速衰减。通过将小分子醌类化合物聚合形成醌类聚合物,能够有效抑制溶解问题从而提升电池的循环寿命。然而,大多数醌类聚合物正极材料由于较低的分子平面性,严重阻碍了锌离子在电极材料中的快速扩散,导致其综合电化学性能难以满足实际应用需求。因此,增强醌类聚合物中的锌离子扩散动力学是研究的关键科学问题和难点,对于推动有机水系锌离子电池的实际应用十分重要。

【工作介绍】
针对上述问题,东南大学胡林峰教授团队利用Friedel-Crafts反应,设计并合成了一种新型具有平面分子结构的π-共轭线性醌类聚合物PPPA:聚(吩嗪-alt-均苯四甲酸酐),作为有机锌离子电池正极材料具有应用前景(图1)。PPPA分子中π共轭平面的扩展显著减小了能隙,有效地加快了充放电过程中分子内电子转移的速度;聚合物链不断增长的PPPA分子依旧能保持平面结构,有利于降低空间位阻,促进材料中锌离子的快速移动。基于此,在这个大π共轭体系中发现了超快锌离子扩散动力学,锌离子扩散系数高达1.2×10-7 cm2 s-1。该工作以“Organic Zinc-Ion Battery: Planar, π-Conjugated Quinone-Based Polymer Endows Ultrafast Ion Diffusion Kinetics”为题发表在国际化学领域权威学术期刊Angewandte Chemie International Edition上,文章第一作者是东南大学材料科学与工程学院博士后叶飞,通讯作者为胡林峰教授。
东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物
图1 PPPA制备流程及相关反应机理

【图文解析】
东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物
图2 PPPA样品的表征分析

利用Friedel-Crafts反应,将吩嗪与均苯四甲酸酐缩聚合成PPPA。红外光谱(FT-IR) (图1a)、13C固体核磁(图1b)等物理表征表明PPPA被成功合成。X 射线衍射(XRD) (图1c)、拉曼光谱(Raman) (图1d)展示了PPPA具有类石墨的结构。示意图(图1e)说明了PPPA分子链在反应过程先形成二维纳米片,随后通过π-π相互作用进行堆叠,最终形成类石墨的形貌。通过高分辨率透射电镜(HRTEM)观察(图1f-o)证实了PPPA确实是由超薄半透明纳米片组成的。

东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物
图3 PPPA正极的电化学性能

为了评估PPPA正极的锌离子存储性能,组装了 CR-2032 纽扣电池,分别采用PPPA作为正极活性材料,锌箔作为负极,2 M Zn(OTf)2水溶液为电解液。经过恒电流充放电测试,PPPA正极在50 mA g-1电流密度下展示出210 mAh g-1的比容量,并且在5000 mA g-1的大电流密度下,电池循环20000次后仍能保持92 mAh g-1的比容量。

东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物
图4 PPPA正极的储能机理研究

为了深入了解PPPA正极的储能机理,采用电化学石英晶体微天平(EQCM)、非原位FT-IR和XPS等表征手段研究PPPA电极在充放电过程中的演变过程。通过研究发现,PPPA阴极中存在可逆Zn2+配位机制,并且没有质子参与电极氧化还原反应。

东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物
图5 PPPA正极的锌离子扩散动力学研究

通过对PPPA正极进行电化学动力学的研究发现:在这个大π共轭体系中存在超快锌离子扩散动力学,锌离子扩散系数高达1.2×10-7 cm2 s-1,是所有有机锌离子电池正极材料中的最高值,相对于已报导的各类无机正极材料也十分突出。DFT理论模拟计算表明PPPA分子中π共轭平面的扩展显著减小了能隙,有效地加快了充放电过程中分子内电子转移的速度;聚合物链不断增长的PPPA分子依旧能保持平面结构,有利于降低空间位阻,促进材料中锌离子的快速移动。


【结论】
本工作利用聚合物链的π-π相互作用,研制了一种具有典型平面结构的新型平面醌类聚合物正极材料(PPPA),实现了醌类聚合物中锌离子缓慢扩散动力学的突破。这一策略为实现快速的锌离子扩散动力学和发展有机水系锌离子电池提供了新的思路。

Organic Zinc-Ion Battery: Planar, π-Conjugated Quinone-Based Polymer Endows Ultrafast Ion Diffusion Kinetics. Fei Ye, Qiang Liu, Prof. Hongliang Dong, Kailin Guan, Zhaoyang Chen, Na Ju, Prof. Linfeng Hu*. Angewandte Chemie International Edition 2022, e202214244  
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202214244

作者简介
东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物
胡林峰,东南大学材料科学与工程学院教授。2010年于日本国立材料研究所NIMS/筑波大学获得博士学位,先后在澳大利亚同步辐射光源中心、复旦大学等单位从事科研工作。研究领域面向多价金属离子在层状材料内的输运存储及其储能器件构筑,在相关领域发表SCI论文100余篇,包括以通讯作者发表的Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano 等。研究成果被Nature PhotonicsC&ENMaterials Views等专题报道,曾获得 国家级青年人才、江苏省杰青等称号。
 

您离实验成功或许就差点氧气!德国科学家最新刊文:有氧环境装出的电池才是好电池

2022-11-01

东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物

继12分钟快充后,Yang-Kook Sun教授AEM再发快充无钴正极材料

2022-11-01

东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物

南京工业大学廖开明&邵宗平:“疏碘亲锂”膜抑制氧化还原媒介体“穿梭效应”,实现500次(2000小时)可逆长寿命锂-氧电池

2022-11-01

东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物

暨南大学、北京大学:离子型MOFs人工SEI提升锌负极可逆性

2022-11-01

东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物

西安交通大学Small Methods:结构应力仿真驱动的分级空心无序结构设计实现超高速和稳定的Zn2+存储

2022-11-01

东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物

燕大张隆教授Advanced Science:室温下具有粘性的超高离子导卤化物共晶固体电解质

2022-11-01

东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物

封伟Nano Energy:50C大倍率稳定放电,73 kW/kg超高功率密度低放热锂/氟化碳电池

2022-11-01

东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物

240篇文献+实验结果:解读Li-S电池中“E/S比”对性能的影响

2022-10-31

东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物

AEnM重磅:商业18650型锂电池老化行为的演化分析

2022-10-31

东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物

非谐耦合协助硫化物固体电解质中的锂离子扩散

2022-10-31

东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物

东南大学胡林峰Angew.:具有超快锌离子扩散动力学的新型平面π-共轭醌类聚合物

本文由能源学人编辑liuqiwan发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/102807.html

参考文献: