Advanced Functional Materials:聚(2,5-二羟基-1,4-苯醌硫醚)在水系锌离子电池中的应用与机理研究

近年来,有机电极材料引起了研究者们的广泛兴趣。其优点是可再生、低成本和结构可控调。不同于无机宿主材料,有机材料由范德华力等分子间作用力聚集而成,具有充足的内部空间,可以减缓多价金属离子进入/脱出过程中遇到的强静电相互作用和体积变化,有利于提升电极材料的动力学性能和循环稳定性。因此,有机电极材料搭配水系锌离子电池将会是不错的选择。

近期,香港城市大学张其春教授与新加坡南洋理工大学范红金教授团队在Advanced Functional Materials期刊上发表了题为“Poly(2,5-Dihydroxy-1,4-Benzoquinonyl Sulfide) As an Efficient Cathode for High-Performance Aqueous Zinc–Organic Batteries”的研究论文(DOI:10.1002/adfm.202010049),本文报道了聚(2,5-二羟基-1,4-苯醌硫醚)(PDBS)在水系锌离子电池中的电化学性能。通过缩聚反应,将氯醌酸分子以硫醚键连接起来得到PDBS,既解决了有机电极材料溶解的问题,又能保留单体的氧化还原可逆性,并表现出良好的循环和倍率性能。通过DFT计算可以发现,PDBS得到电子后,由两个近邻单元上的羰基氧和硫原子构成的活性区域对于锌离子表现出较高的活性,因此被认为是活性位点所在。这种多位点协同配位机制对于放电产物有较强的稳定化作用,犹如蟹爪可以牢牢钳住目标物,有可能成为多价金属离子电池的一种新反应机制。除了具备高活性位点,PDBS作为锌离子电池正极材料还具有其它优势。通过硫醚原子把活性单元串联起来,使得电化学性能更加稳定。此外,由于聚合物材料内部充足的空间和链段的柔韧性,在锌离子进入电极材料时,聚合物链能够实现从螺旋形到Z-折叠的结构调整,从而适应锌离子的进出和扩散。

通过理论计算和非原位表征,作者系统地研究了PDBS的储锌机制,展现了有机电极材料在水系锌离子电池应用中的独特优势。鉴于有机材料的结构多样性和分子水平上的可调控性,有理由相信它在多价金属离子电池中将会有广阔的研究前景。