水系鋅-有機(jī)物電池因具有綠色、低成本和高安全性等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。不幸的是，有機(jī)物材料通常表現(xiàn)出絕緣體的特性，顯示出低的電子導(dǎo)電率(~ 10-10 S cm-1)。目前，大多數(shù)報(bào)道的鋅-有機(jī)物電池所表現(xiàn)出的優(yōu)異性能是在低的有機(jī)活性物質(zhì)載量(~ 2 mg cm-2)下實(shí)現(xiàn)的。然而，如此低的活性物質(zhì)載量與實(shí)際應(yīng)用所需活性物質(zhì)載量(~ 10 mg cm-2)相差甚遠(yuǎn)。在此，復(fù)旦大學(xué)王永剛教授等人利用一種半導(dǎo)體聚合物聚(1,8-二氨基萘)(PDAN)作為正極，構(gòu)筑了高性能水系鋅-有機(jī)物電池，該材料具有中等的電子導(dǎo)電率(5.9 × 10-5 S cm-1)。
圖1 . PDAN在放電-充電過程中結(jié)構(gòu)演變的理論計(jì)算。 圖2 . PDAN電極在循環(huán)過程中活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)演變。 圖3 . Zn//PDAN電池在高的有機(jī)活性物質(zhì)載量下的電化學(xué)性能。 理論計(jì)算(圖1)和原位/非原位技術(shù)(圖2)分析表明，PDAN材料具有雙極性型電荷存儲機(jī)制，它結(jié)合了n-型和p-型有機(jī)物的優(yōu)點(diǎn)。由于PDAN具有半導(dǎo)體特性和雙極性型反應(yīng)機(jī)理，所構(gòu)筑的Zn//PDAN電池在有機(jī)活性物質(zhì)載量從2 mg cm-2增加到17 mg cm-2的條件下，仍然表現(xiàn)出較高的容量保持率(~ 73 %) (圖3)。而且，在高有機(jī)活性物質(zhì)載量(10 mg cm-2)下，該電池顯示出高的比容量(140 mAh g-1, 0.1 A g-1)和顯著的循環(huán)穩(wěn)定性(1000圈，容量不衰減)。即使在17 mg cm-2高的有機(jī)活性物質(zhì)載量下，Zn//PDAN電池仍然可以循環(huán)100圈，鋅負(fù)極的利用率高達(dá)到11.9 %，這是以前報(bào)道中很少能實(shí)現(xiàn)的。該研究工作為未來的高性能有機(jī)材料設(shè)計(jì)提供了思路。 論文信息 Towards High-Performance Aqueous Zinc Batteries via a Semi-Conductive Bipolar-Type Polymer Cathode Lei Yan,Qiang Zhu,Yae Qi,Jie Xu,Yu Peng,Prof. Jie Shu,Prof. Jing Ma,Prof. Yonggang Wang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202211107
