Advanced Functional Materials:新型有机钾离子电池

钾离子二次电池成本低廉,且电化学性能与锂离子电池接近,非常适合于低成本大规模储能应用。由于钾离子半径较大(1.38 Å vs. 锂离子0.76 Å),开发存储钾离子的高效正极负极材料绝非易事。可喜的是,具备电化学活性、成本低廉且绿色环保的有机功能材料近年来被证明普遍具备高效的储钾能力。原因是由范德华力堆叠的有机固体具备充足的晶格空间来脱嵌钾离子。这些优势意味着有机钾离子电池有望成为一种新的储能原器件。我国科学家在2017年报道了世界上第一例钾离子电池有机负极材料-对苯二甲酸钾(K2TP),分别由电子科技大学樊聪/李晶泽课题组和南开大学李福军/陈军课题组独立发表在《Nano Energy》(Nano Energy 2017, 33, 350-355)和《Energy & Environmental Science》(Energy Environ. Sci. 2017, 10, 552-557)期刊上。值得注意的是,当前绝大部分报道的钾离子电池中的有机电极材料都是已知物。因此,考虑到有机化合物的种类和结构多样性,一定有不少高性能新型有机电极材料有待开发。

近日,电子科技大学材料与能源学院樊聪副教授课题组首次报道了一个新型有机小分子正极材料- N,N-二蒽醌-苝酰二亚胺(PTCDI-DAQ),并构建了基于有机小分子对苯二甲酸钾(K2TP)作为负极,PTCDI-DAQ作为正极的新型有机钾离子电池。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202000675)上。

图1为有机小分子N,N-二蒽醌-苝酰二亚胺(PTCDI-DAQ)的化学结构式和合成路线图。其分子设计思想如下:1、PTCDI-DAQ由具备电化学活性的1个PTCDI单元(PTCDI)和2个蒽醌单元(AQ)杂化而成,其理论比容量(200 mAh g-1)不会因为分子量的增加而降低。2、分子量的增加使得PTCDI-DAQ难溶于几乎所有的常用有机电解液,提高其材料循环稳定性。3、有机分子π共轭面积的增加有利于PTCDI-DAQ的电子电导率,可以提升其倍率性能。

图2a为使用K2TP作为负极,PTCDI-DAQ作为正极所构建的新型有机钾离子电池结构示意图。图2b为使用该有机钾离子电池驱动的红光LED灯泡。从图3可见,该有机钾离子电池取得了非常好的电化学性能。其工作电压范围在0.2-3.2 V,中值电压为1.38 V,最大放电比容量为213 mAh g-1正极(100 mA g-1),对应的电池能量密度达到295 Wh kg-1正极(图3a)。值得注意的是,即使工作电压放到0V,该新型有机钾离子电池负极方向也不会产生金属钾。如图3b所示,在小电流测试条件下,该有机钾离子电池展现出良好的循环稳定性。充放电300周后,PTCDI-DAQ正极的放电比容量依然保持132 mAh g-1正极(~100%库仑效率)。同时,该有机钾离子电池展现出非常优异的倍率性能。如图3c所示,PTCDI-DAQ正极的放电比容量在大电流10 A g-1的条件下依然可以保持94 mAh g-1正极

综上所述,该新型有机钾离子电池的综合性能(如能量密度、倍率性能、电池循环寿命及安全性)达到目前世界领先水平。