电子科技大学樊聪AFM：世界首次！双极性聚合物电极同时用于高性能Na/K基双离子对称电池！
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阅读： 2024/1/18 13:32:53
对称电池是一种有趣的电化学储能装置，其单电极材料在电池系统中同时扮演阴极和阳极的角色。双极性电极的应用大大降低了材料成本，简化了电池制备过程。有机化合物由于其结构的灵活性，可以定制成双极性电极。但目前，可用的有机双极性电极非常鲜见。
近日，电子科技大学樊聪副教授在层状MXene纳米片中，通过二溴蒽醌的双电子n型单元和二氢吩嗪的双电子p 单元之间的原位合成了一种名为聚[蒽醌-alt-二氢吩嗪]（PAD）的有机双极聚合物电极，从而获得了一种名为PAD@MX的材料。研究显示，PAD@MX在Na/K型电池中显示出几乎相同的氧化还原机制和电极性能。在基于Na/K的半电池中，PAD@MX的峰值放电容量分别为240/255 mAh g-1，峰值能量密度为511/597 Wh kg-1，均居报道的阴极前列。此外，通过使用PAD@MX作为单电极材料，还可以同时构建基于Na/K的双离子对称电池。这两种对称电池都具有"即充即用"的特性，无需任何预激活。其中，PAD@MX的可逆放电容量为86/104 mAh g-1阴极，能量密度为54/64 Wh kg-1总质量，可稳定运行500次。据作者所知，这是世界上首个将有机双极电极同时应用于基于Na/K的双离子对称电池的实例。
文章要点：
1. 这项工作通过二氢吩嗪（PZ）、二溴蒽醌（AQ）和 MXene（MX）的直接简单组合合成了一种具有双极电极特性的新型有机聚合物PAD@MX。
2. 研究显示，p型二氢吩嗪单元和n型二溴蒽醌单元可以在层状MXene纳米片中原位聚合，从而在有机聚合物聚[蒽醌-alt-二氢吩嗪]和MXene基质之间形成PAD@MX。
3. 值得注意的是，MXene因其可调整的层状结构、大表面积和优异的导电性，已被报道可提高电极性能和循环稳定性。因此，PAD@MX在Na/K双离子对称电池中均表现出前所未有的双极电极性能。
4. 在Na基双离子对称电池中，PAD@MX的峰值放电容量可达86 mAh g-1阴极，中值电压可达1.25 V（0.01-2.4 V），可稳定运行500次。在基于K的双离子对称电池中，PAD@MX的峰值放电容量为104 mAh g-1阴极，中值电压为1.25 V（0.01-2.5 V），并可持续运行500次。重要的是，这两种与PAD@MX相关的对称电池都能实现"即充即用"特性，无需任何预激活。
5. 据悉，这是世界上第一个可同时应用于基于Na/K的双离子对称电池的双极电极实例。
图1 材料合成及表征
图2 PAD@MX在钠基半电池中的性能
图3 PAD@MX在钠基双离子对称电池中的性能
图4 PAD@MX在钾基双离子对称电池中的性能
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202311740
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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