水系鋅-有機物電池因具有綠色、低成本和高安全性等優點而受到廣泛關注。不幸的是，有機物材料通常表現出絕緣體的特性，顯示出低的電子導電率(~ 10-10S cm-1)。目前，大多數報道的鋅-有機物電池所表現出的優異性能是在低的有機活性物質載量(~ 2 mg cm-2)下實現的。然而，如此低的活性物質載量與實際應用所需活性物質載量(~ 10 mg cm-2)相差甚遠。在此，復旦大學王永剛教授等人利用一種半導體聚合物聚(1,8-二氨基萘)(PDAN)作為正極，構築了高性能水系鋅-有機物電池，該材料具有中等的電子導電率(5.9 × 10-5S cm-1)。
圖1 . PDAN在放電-充電過程中結構演變的理論計算。
圖2 . PDAN電極在循環過程中活性位點的結構演變。
圖3 . Zn//PDAN電池在高的有機活性物質載量下的電化學性能。
理論計算(圖1)和原位/非原位技術(圖2)分析表明，PDAN材料具有雙極性型電荷存儲機制，它結合了n-型和p-型有機物的優點。由於PDAN具有半導體特性和雙極性型反應機理，所構築的Zn//PDAN電池在有機活性物質載量從2 mg cm-2增加到17 mg cm-2的條件下，仍然表現出較高的容量保持率(~ 73 %) (圖3)。而且，在高有機活性物質載量(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)和顯著的循環穩定性(1000圈，容量不衰減)。即使在17 mg cm-2高的有機活性物質載量下，Zn//PDAN電池仍然可以循環100圈，鋅負極的利用率高達到11.9 %，這是以前報道中很少能實現的。該研究工作為未來的高性能有機材料設計提供了思路。
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
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