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石河子大学 | 高负载长寿命的环状萘醌衍生物正极助力水系锌有机电池

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-01-05 09:00

正文

2024年5月2日，石河子大学谷天天副教授在清华大学主办的高起点新刊Nano Research Energy上发表题为“Robust ring insoluble naphthoquinone derivative cathode with high loading and long cycle life for aqueous zinc organic batteries”的最新研究成果。

随着能源危机和碳中和带来的更多挑战，研究人员不断探索更环保、更先进的电化学储能系统。水系锌离子电池（AZIBs）由于其具有高安全性、高理论容量、环境友好性和低过电位（0.76 V vs. SHE）等特点而被广泛研究。然而，AZIBs的有机正极材料面临一些重要问题，包括比容量和利用率有限、电导率不高、循环耐久性不理想以及电荷存储机制不明确。与此同时，很难做到只使用某一种工程材料就同时解决以上这些问题。因此，对于先进的锌有机电池来说，寻找一种能够克服上述困难的正极材料具有至关重要的意义。多活性位点给醌类化合物带来比容量高以及锌储存性能优异等特点，因此它被广泛研究。然而，醌类具有的小分子结构使其易溶于水系电解质，在充放电过程中产生不可逆的副产物，导致比容量快速下降并缩短了电池寿命。

图1.高负载长寿命的环状萘醌衍生物正极助力水系锌有机电池。

针对以上问题，谷天天副教授团队设计了一种具有苯并咪唑环结构的有机化合物NTCDA-2,3-DNQ，简称NTNQ。通过调整活性位点的数量、分布以及分子量，NTNQ可作为水系锌离子电池的正极材料。NTNQ在0.05 A·g^-1下的比容量高达290.5 mA h·g^-1，在15 A·g^-1下的倍率下性能高至133.3 mA h·g^-1，并在10 A·g^-1下经过10,000次超长循环后仍能保持81.7%的容量保留率。通过密度泛函理论（DFT）计算，作者进一步探索了相邻活性位点和多电子Zn²⁺存储反应的协同效应，结果表明，NTNQ在储存Zn²⁺过程中能够通过N-Zn-O路径存储4个Zn²⁺并转移8个电子，且在多种高负载下NTNQ仍能保持高比容量和良好的循环稳定性。这项研究为高性能水系锌离子电池的分子设计和Zn²⁺存储机制研究提供了重要参考。

第一作者：Jiali Wang

通讯作者：谷天天副教授

通讯单位：石河子大学

相关论文信息：

论文原文在线发表于Nano Research Energy，点击“阅读原文”查看论文

论文标题：

Robust ring insoluble naphthoquinone derivative cathode with high loading and long cycle life for aqueous zinc organic batteries

论文网址：

https://doi.org/10.26599/NRE.2024.9120124

DOI：10.26599/NRE.2024.9120124

论文引用：

Wang J, Gao X, Wang Y, et al. Robust ring insoluble naphthoquinone derivative cathode with high loading and long cycle life for aqueous zinc organic batteries. Nano Research Energy, 2024, 3: e9120124. https://doi.org/10.26599/NRE.2024.9120124

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