南开大学陈军院士Chem:基于聚蒽醌阳极的可充电水性聚合物-空气电池

【引言】

电池安全在电能存储的大规模应用领域是至关重要。与有机溶剂基电解质相比，水性电池具有诸如高离子电导率、不可燃性、对环境空气的敏感性较低以及环境友好等独特的优点。水性金属-空气电池是以空气中的氧气作为活性材料且理论能量密度高，因而备受关注。然而，金属阳极侧的枝晶、钝化和腐蚀导致金属阳极的利用率较低且循环稳定性较差。因此，筛选具有良好可逆性和深度充放电能力的替代阳极材料对于获得具有长循环寿命的水性空气电池具有重要意义。共轭醌聚合物由于具有高容量、含量丰富、低成本和结构可设计性的优点而被广泛作为Li或Na离子电池的阴极材料。 醌聚合物通常在非水电解质中可提供2.1至2.8 V的可调氧化还原电压平台。然而，聚合物的低导电性导致含水电池的速率损失，特别是，合理设计聚合物阳极以确保其与催化空气阴极的动力学可比性对于高性能水性聚合物-空气电池是必要的。

【成果简介】

近日，南开大学陈军院士（通讯作者）报道了一种水性聚合物-空气电池，其使用在碳纳米管上原位聚合的共轭有机聚合物聚（1,4-蒽醌）（P14AQ）作为阳极而负载在CNT上的尖晶石钴锰氧化物（CMO@CNT）作为催化阴极。研究发现，P14AQ/CNT-空气电池具有500次循环的长循环寿命（92%的容量保持率）和优异的倍率性能（147 mAh g^-1_P14AQ，38.5 °C）。而且所制备的袋式P14AQ/CNT-空气电池显示出1025 mAh的高容量，在100次循环后具有95%的容量保持率，因而展现出大规模应用的潜力。该成果以题为"Rechargeable Aqueous Polymer-Air Batteries Based on Polyanthraquinone Anode"发表在国际著名期刊Chem上。

【图文导读】

图1 构建的P14AQ / CNT-空气电池的构造和反应机理

图2 P14AQ/CNT的表征

(A) P14AQ/CNT的SEM和高分辨HRTEM图像；

(B) CNT、P14AQ和P14AQ/CNT C1s的XPS光谱；

(C) P14AQ和P14AQ/CNT的FTIR光谱；

(D) CNT的优化构象；

(E, F) P14AQ和CNT构象的顶(E)和前(F)视图；

(G, H) P14AQ和CNT之间的模拟差分电荷密度的顶(G)和前(H)视图；

(I) P14AQ和P14AQ/CNT的DOS计算。

图3 P14AQ和CMO@CNT的电化学性能

(A) P14AQ和P14AQ/CNT在5mV s^-1下的CV曲线；

(B) P14AQ和P14AQ/CNT的循环稳定性；

(C) P14AQ/CNT在不同扫描速率下的CV曲线；

(D) P14AQ/CNT对应的log i_p与log v的关系；

(E) P14AQ/CNT在不同电流密度下的GCD曲线；

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

图4 P14AQ/CNT-空气电池的机理

(A) 400mA g^-1条件下的充放电曲线；

(B) 用于原位FTIR测试的袋电池的横截面示意图；

(C) P14AQ阳极的原位监测的FTIR光谱；

(D) P14AQ / CNT在不同状态下的XPS光谱。

图5 可充电P14AQ/CNT-空气电池的电化学性能

(A) 不同速率下的典型放电和充电曲线；

(B) 倍率性能；

(C) 1 A g^-1条件下的长期循环性能；

(D) 袋式电池的GCD曲线。

【小结】

本文中，作者构建了具有P14AQ/CNT阳极和CMO@ CNT阴极的聚合物-空气电池。研究表明，共轭P14AQ聚合物与三维导电CNT之间存在强相互作用进而促进了电荷从P14AQ转移至CNT，导致稳定的充放电状态和较低的氧化还原电位。由于P14AQ/CNT具有良好的可逆性和稳定性以及CMO@CNT的催化性能，P14AQ/CNT-空气电池在38.5 °C时展现出147 mAh g^-1 P14AQ的优异倍率性能和较长的循环寿命。容量为1025 mAh的袋式电池可提供165 Wh kg^-1的能量密度，而且100次循环后容量保持率为95%。

文献链接：Rechargeab Aqueous Polymer-Air Batteries Based on Polyanthraquinone Anode (Chem, 2019, DOI: 10.1016/j.chempr.2019.06.001)

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