Advanced Energy Materials:探究锂、钠、钾离子在同种有机材料中的输运规律

锂离子电池具有高的能量密度和功率密度,已经在各种电子器件得到广泛的应用。同时,钾离子电池和钠离子电池由于较低的成本和丰富的资源也逐渐成为科学研究的热点并具有大规模应用的潜力。基于锂、钠、钾为第一主族的三种碱金属,它们通常表现单电子得/失行为。因此,人们通常认为它们具有相似的电化学特性,钠、钾离子电池的研究技术通常借鉴锂离子电池。实际上,载流子离子以电解液为桥梁,在正负两极穿梭,因此,载流子离子是影响电极活性材料的电化学性能和电解液的离子电导率的重要因素之一。探究载流子与电化学特性之间的关系是一项非常有意义的工作。

有机材料具有可持续、可降解、结构可控性等优势,是理想电极材料之一。而结构多样性、理论容量高、快速的电化学动力学的蒽醌化合物吸引着研究者们的眼球。

湖南大学物理与微电子科学学院樊令副教授合作秦志辉教授等利用Na2S原子将2,6-二溴代蒽醌聚合成长链PAQS,减小有机材料在电解液中的溶解。从SEM看到,PAQS是由许多纳米薄片所团簇而成纳米球,薄片之间空隙为电解液的浸润提供有利的空间,为获得高倍率性能电池奠定基础。而XPS和FTIR证实了PAQS内部存在C=O等化学键,为金属离子的存储提供了活性位点。

一方面,作者利用密度泛函理论(DFT)计算模拟了锂、钠、钾离子在相同有机材料PAQS的电化学行为。通过计算出各相化合物Ax(PAQS)5(其中A为Li/Na/K)的吉布斯自由能进而得出还原电势趋势,此结果能与实验中观测到伏安特性曲线中的氧化/还原峰的个数和位置、充/放电曲线中的平台个数和位置相对应。而各相化合物在电解液中的结构褶皱度可能是造成三种电池稳定性的主要原因之一。另一方面,动力学计算(例如电荷转移阻抗、离子扩散系数等)解释了PAQS在三种电池提供了不同大小的比容量的可能原因。通过不同电解液的Raman光谱发现,较高浓度的电解液存在更少的自由溶剂分子,这可能会抑制PAQS在电解液中的溶解,从而有助于提高循环性能。

目前对有机材料做电极的深入研究发展缓慢,而有机材料本身具有的优势值得科学工作者开发和利用。研究者相信,此项研究将会为有机材料做电极的研究提供新思路,也有助于更好的了解锂、钠、钾三种电池的特性差异性和原因、发挥有机材料在各类电池的优势、加快其在商业市场的应用。