水系鋅-有機(jī)電池因其安全性高、資源豐富、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。然而，鋅金屬固有的氧化還原電位(?0.76 V vs. SHE)遠(yuǎn)高于鋰金屬(?3.04 V vs. SHE)，這使得基于鋅金屬構(gòu)建的電池體系電壓較低。因此需要設(shè)計(jì)具有高氧化還原電位的有機(jī)正極材料以盡可能的實(shí)現(xiàn)高電壓的鋅離子電池。除活性官能團(tuán)對電化學(xué)的氧化還原電位有影響外，強(qiáng)吸電子基團(tuán)（如氰基、氟原子、氯原子等）也會對氧化還原電位產(chǎn)生極大作用。因此探究強(qiáng)吸電子基團(tuán)對電位的影響對于設(shè)計(jì)高電壓有機(jī)正極材料而言具有重要的研究意義。
圖1. (a)氰基對水系鋅有機(jī)電池電勢的影響機(jī)制。(b)FT-IR光譜。(c)拉曼光譜。HATN (d)，O3CN (e)，P3CN (f)，P6CN (g)的SEM圖。 近日，武漢理工大學(xué)安琴友教授團(tuán)隊(duì)在HATN的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并合成了三種含氰基（-CN）的有機(jī)正極材料（分別為：O3CN、P3CN和P6CN）用于系統(tǒng)的探究氰基位置和數(shù)量在鋅-有機(jī)電池中對電化學(xué)性能的影響機(jī)制。通過降低分子的HOMO/LUMO能級和減小帶隙，氰基的引入有效提高了材料本征的氧化還原電位，且電位的改善程度與氰基的引入量呈正相關(guān)。而放置不當(dāng)?shù)那杌鶗钚怨倌軋F(tuán)的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生空間位阻效應(yīng)，導(dǎo)致離子遷移率降低，從而影響電化學(xué)性能。此外，氰基還會降低有機(jī)電極材料在水溶液中的溶解性，這可以有效的解決電池因溶解造成的循環(huán)穩(wěn)定性差的問題。這些結(jié)論具有普適性，可能同樣適用于其它有機(jī)電極材料的電池體系。 圖2. (a)P6CN在0.1~10 A g?1電流密度下的倍率性能。(b) 在0.3 A g?1下P6CN的循環(huán)性能。(c) HATN、O3CN、P3CN、P6CN的平均電壓比較圖。(d)不同電流密度下功率密度的比較圖。(e) P6CN在5 A g?1下的長循環(huán)性能。 結(jié)果表明，基于P6CN的電池平均電壓可以達(dá)到0.73 V，遠(yuǎn)高于不含氰基的HATN。在0.3 A g?1電流密度下循環(huán)200次后，P6CN的比容量依然可達(dá)到252.7 mAh g?1，且未觀察到明顯的容量衰退現(xiàn)象。在5 A g?1的大電流密度下，P6CN在5000次循環(huán)后仍保持其初始值的88.2%，表明其具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。該工作闡明了氰基引入位置和數(shù)量與電化學(xué)性能之間的內(nèi)在關(guān)系，為具有多修飾位的有機(jī)正極材料設(shè)計(jì)高電壓體系電池提供了研究依據(jù)。 論文信息 Effects of Position and Quantity of the Cyano Group in Organic Electrode Materials on Electrochemical Performance Yongkang An, Yu Liu, Fangyu Xiong, and Qinyou An Batteries＆Supercaps DOI: 10.1002/batt.202200463
