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陶占良Nano-Micro Letters：高性能水系有機(jī)鋅電池的分子工程設(shè)計

與商用鋰離子電池相比，水系鋅離子電池（AZIBs）由于具有許多優(yōu)點，在大規(guī)模儲能裝置方面擁有巨大的潛力。然而，由于缺乏堅固的正極材料，AZIBs的能量密度和循環(huán)壽命受到進(jìn)一步限制。

圖1. 材料制備及表征

南開大學(xué)陶占良等通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計方法成功地合成了新型的小型有機(jī)材料，即4S6Q和4S4Q。具體而言，考慮到苯醌（BQ）和萘醌（NQ）的理論比容量較高，但溶解度大，導(dǎo)電性差，這項工作引入共軛硫醚（-S-）鍵將其連接（兩個NQ和一個BQ通過共軛硫醚鍵連接，即4S6Q；兩個NQ和一個苯通過共軛硫醚鍵連接，即4S4Q），可顯著改善其離子導(dǎo)電性。

更重要的是，4S6Q和4S4Q靈活的分子骨架賦予了它們對離子吸收/移除的強(qiáng)大承受力。因此，4S6Q和4S4Q顯示出低溶解度和良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。

圖2. 常溫電化學(xué)性能

因此，基于3.5 M Zn(ClO4)₂電解液的Zn//4S6Q電池在150 mA g^-1時表現(xiàn)出240 mAh g^-1的高放電容量，并且在3 A g^-1時循環(huán)20000次后沒有容量衰減，具有卓越的循環(huán)壽命。即使在30 A g^-1的高電流密度下也能達(dá)到208.6 mAh g^-1的放電容量。全面的特征分析確定了羰基的強(qiáng)大氧化還原活性，并揭示了4S6Q材料的H⁺存儲機(jī)制。

更令人印象深刻的是，這種電池可以在-60℃下穩(wěn)定運(yùn)行，并且在3 A g^-1的條件下循環(huán)10,000次后容量沒有下降。總體而言，這項工作證明了設(shè)計堅固的小型有機(jī)材料的途徑，并擴(kuò)展了AZIBs在低溫條件下的應(yīng)用。

圖3. Zn/4S6Q的低溫電化學(xué)性能

Molecular Engineering Design for High-Performance Aqueous Zinc-Organic Battery. Nano-Micro Letters 2023. DOI: 10.1007/s40820-022-01009-x

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