南開大學陳軍院士Chem:基于聚蒽醌陽極的可充電水性聚合物-空氣電池

【引言】

電池安全在電能存儲的大規模應用領域是至關重要。與有機溶劑基電解質相比，水性電池具有諸如高離子電導率、不可燃性、對環境空氣的敏感性較低以及環境友好等獨特的優點。水性金屬-空氣電池是以空氣中的氧氣作為活性材料且理論能量密度高，因而備受關注。然而，金屬陽極側的枝晶、鈍化和腐蝕導致金屬陽極的利用率較低且循環穩定性較差。因此，篩選具有良好可逆性和深度充放電能力的替代陽極材料對于獲得具有長循環壽命的水性空氣電池具有重要意義。共軛醌聚合物由于具有高容量、含量豐富、低成本和結構可設計性的優點而被廣泛作為Li或Na離子電池的陰極材料。?醌聚合物通常在非水電解質中可提供2.1至2.8 V的可調氧化還原電壓平臺。然而，聚合物的低導電性導致含水電池的速率損失，特別是，合理設計聚合物陽極以確保其與催化空氣陰極的動力學可比性對于高性能水性聚合物-空氣電池是必要的。

【成果簡介】

近日，南開大學陳軍院士（通訊作者）報道了一種水性聚合物-空氣電池，其使用在碳納米管上原位聚合的共軛有機聚合物聚（1,4-蒽醌）（P14AQ）作為陽極而負載在CNT上的尖晶石鈷錳氧化物（CMO@CNT）作為催化陰極。研究發現，P14AQ/CNT-空氣電池具有500次循環的長循環壽命（92%的容量保持率）和優異的倍率性能（147 mAh g^-1_P14AQ，38.5 °C）。而且所制備的袋式P14AQ/CNT-空氣電池顯示出1025 mAh的高容量，在100次循環后具有95%的容量保持率，因而展現出大規模應用的潛力。該成果以題為"Rechargeable Aqueous Polymer-Air Batteries Based on Polyanthraquinone Anode"發表在國際著名期刊Chem上。

【圖文導讀】

圖1 構建的P14AQ / CNT-空氣電池的構造和反應機理

圖2 P14AQ/CNT的表征

(A) P14AQ/CNT的SEM和高分辨HRTEM圖像；

(B) CNT、P14AQ和P14AQ/CNT C1s的XPS光譜；

(C) P14AQ和P14AQ/CNT的FTIR光譜；

(D) CNT的優化構象；

(E, F) P14AQ和CNT構象的頂(E)和前(F)視圖；

(G, H) P14AQ和CNT之間的模擬差分電荷密度的頂(G)和前(H)視圖；

(I) P14AQ和P14AQ/CNT的DOS計算。

圖3 P14AQ和CMO@CNT的電化學性能

(A) P14AQ和P14AQ/CNT在5mV s^-1下的CV曲線；

(B) P14AQ和P14AQ/CNT的循環穩定性；

(C) P14AQ/CNT在不同掃描速率下的CV曲線；

(D) P14AQ/CNT對應的log i_p與log v的關系；

(E) P14AQ/CNT在不同電流密度下的GCD曲線；

(F) CMO@ CNT和Pt/C在6M KOH溶液中，10mV s^-1條件下的ORR和OER活性。

圖4 P14AQ/CNT-空氣電池的機理

(A) 400mA g^-1條件下的充放電曲線；

(B) 用于原位FTIR測試的袋電池的橫截面示意圖；

(C) P14AQ陽極的原位監測的FTIR光譜；

(D) P14AQ / CNT在不同狀態下的XPS光譜。

圖5 可充電P14AQ/CNT-空氣電池的電化學性能

(A) 不同速率下的典型放電和充電曲線；

(B) 倍率性能；

(C) 1 A g^-1條件下的長期循環性能；

(D) 袋式電池的GCD曲線。

【小結】

本文中，作者構建了具有P14AQ/CNT陽極和CMO@ CNT陰極的聚合物-空氣電池。研究表明，共軛P14AQ聚合物與三維導電CNT之間存在強相互作用進而促進了電荷從P14AQ轉移至CNT，導致穩定的充放電狀態和較低的氧化還原電位。由于P14AQ/CNT具有良好的可逆性和穩定性以及CMO@CNT的催化性能，P14AQ/CNT-空氣電池在38.5 °C時展現出147 mAh g^-1 P14AQ的優異倍率性能和較長的循環壽命。容量為1025 mAh的袋式電池可提供165 Wh kg^-1的能量密度，而且100次循環后容量保持率為95%。

文獻鏈接：Rechargeab Aqueous Polymer-Air Batteries Based on Polyanthraquinone Anode?(Chem, 2019, DOI: 10.1016/j.chempr.2019.06.001)

本文由biotech供稿，材料牛審核整理。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿及內容合作可加編輯微信：cailiaorenkefu。?