Advanced Science:基于无枝晶有机负极材料构筑高性能水系锌离子电池

水系锌离子电池因其低廉、无毒、安全等特性近年来受到了人们广泛的关注。但是,在多价离子电池中,高电荷密度所引起的宿主材料与离子间强烈的静电相互作用限制了Zn2+的固体扩散速率,使反应动力学迟缓。不同于无机电极宿主晶格与多价离子间强的静电吸引,有机电极分子间弱的范德华力可以减弱了离子嵌入所引起的库仑力相互作用,有利于提升电极的反应动力学。同时,有机电极还具有高理论容量、环境友好等优点,引起了研究者的关注。然而有机电极在电解液中易溶解、本体导电性差等问题困扰其进一步的实际应用。另外,对于直接应用金属锌作为负极的电池来说,锌枝晶的产生会不可避免地影响电池的循环稳定性和安全性,阻碍水系锌离子电池的发展。

哈尔滨工业大学张乃庆教授课题组针对以上问题提出了将苝-3,4,9,10-四羧酸二酰亚胺/石墨烯复合结构(PTCDI/rGO)用于水系锌离子电池负极的策略。作者利用密度泛函理论计算了一系列常见共轭羰基化合物的最低未占据分子轨道(LUMO),相比较于其它有机物,PTCDI/rGO具有更低的放电电位,可以作为负极材料。同时,该有机电极及其放电产物在水溶液中不易溶解,从而确保了电极在长期工作中的稳定性能。此外,作者结合多种表征、测试手段,深入研究了PTCDI/rGO电极的储能机制,提出了H+和Zn2+共参与的转化机理,这种反应机制有利于实现快速的电化学反应的进行。结合以上优点,PTCDI/rGO电极展示了优异的电化学性能,在5A/g的高电流密度下可以保持50 mA/g电流强度下放电比容量的95%(121 mAh/g),在3A/g的高电流密度下经过1500次循环,电池的容量几乎没有衰减。相关工作发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.202000146)上。