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可用于电池正极和负极的高性能聚合物助力于全有机塑料电池的研究

【引言】

具有良好性能的全有机电池对于实现未来轻便的柔性电子产品至关重要。该领域现在的主要挑战是缺乏容量高并且循环性能稳定的柔性有机电极材料。全塑料(全聚合物)可充放电池的概念在三十多年前被提出。其中电池的正极和负极材料都是由有电化学活性的导电聚合物(聚乙炔)制成,并且辅以固态的电解液材料。然而,当时制成的全电池具有极其有限的充放电性能和很低的库伦效率。虽然近些年来,有关以全塑料(全聚合物)材料为电极的有机可充放全电池的研究被不断的报道。但是如何设计和制备柔性的全聚合物电极材料十分的具有挑战性。尤其是具有高比容量,高能量密度和循环稳定的聚合物正极和负极材料。

【成果简介】

最近,新加坡南洋理工大学的张其春教授课题组设计了一种新型的具有电化学活性的聚合物电极材料 (C6O2S2)n(PDB)。得益于其独特的梯状苯醌和硫醚的有机分子构型,所制备的柔性PDB电极既可以用于电池正极也可以用于负极。在他们前期对此聚合物作为负极材料的研究基础上,他们在此又研究了其作为正极材料的可行性。优化后的PDB作为正极材料呈现出很高的比容量,较高的输出电压和极其稳定的循环性能。更进一步,他们利用PDB的双功能性质, 创新的制备出了以PDB聚合物为正极和负极的对称全电池。该研究为未来制备高性能的全塑料电池提供了一种可靠的电极材料。该文章 ”Toward a High-Performance All-Plastic Full Battery with a Single Organic Polymer as Both Cathode and Anode” 已发表在国际知名能源期刊Advanced Energy Materials上(影响因子:16.72)。

图文导读

可用于电池正极和负极的高性能聚合物助力于全有机塑料电池的研究

图1. PDB聚合物以及其柔性电极材料的设计,表征和制备。(A)PDB聚合物的化学结构设计和理念。(B)PDB聚合物的FTIR和(C)TGA分析。(D)柔性PDB聚合物电极的制备过程。(E)柔性PDB聚合物电极的SEM形貌表征(插图是PDB聚合物电极的照片,比例尺条为0.6cm)。(F)独立的PDB聚合物电极的柔软性测试。

可用于电池正极和负极的高性能聚合物助力于全有机塑料电池的研究

图2. PDB聚合物作为正极活性材料的性能测试。(A)PDB作为正极材料的机理解释及其理论容量。(B)PDB在3.4-1.5 V范围内的充放电曲线图(电流密度为20 mA/g)。(C) 对应的PDB的循环性能和库伦效率。(D)PDB在不同电流密度下的倍率性能。(E)及不同电流密度下的充放电曲线图。(F)PDB前三个循环的CV分析,扫速为0.1 mV/S.

可用于电池正极和负极的高性能聚合物助力于全有机塑料电池的研究

图3. PDB在大电流密度下的长时间充放电循环性能。(A)当电流密度为1000 mA/g时的500次循环。(B)当电流密度为1500 mA/g时的1000次循环。PDB都保留很高的比容量。

可用于电池正极和负极的高性能聚合物助力于全有机塑料电池的研究

图4. 以PDB聚合物为正极和负极材料制备的对称全电池图解。(A)PDB聚合物作为正极和负极材料的机理解释。(B)全PDB对称电池的布局和组装。(C)以及PDB正极和负极的切面和厚度SEM表征(比例尺条为5 µm)。

可用于电池正极和负极的高性能聚合物助力于全有机塑料电池的研究

图5. 以PDB聚合物为电极的对称全电池的性能测试。(A)PDB聚合物为正极和负极材料的全电池的图解。(B)全PDB聚合物电池在2.9-0.005 V范围内的充放电曲线图(电流密度为20 mA g-1)。(C)全PDB聚合物电池的能量密度和功率密度图。(D)全PDB聚合物电池在不同电流密度下的倍率性能。(E)全PDB聚合物电池在3.2-0.005 V范围内大电流密度(500 mA/g)下的长时间充放电循环性能(250次充放电)。

Jian Xie, Zilong Wang, Zhichuan Jason Xu, Qichun Zhang, Toward a High-Performance All-Plastic Full Battery witha Single Organic Polymer as Both Cathode and Anode, Adv. Energy Mater. 2018, 1703509. DOI: 10.1002/aenm.20170350

 

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