隨著太陽能、風(fēng)能等可再生能源在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整與能源分配中所占的比例不斷提高，開發(fā)低成本、高性能的可充電儲(chǔ)能電池對于解決間歇性可再生能源的能量輸出至關(guān)重要。近日，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳軍院士團(tuán)隊(duì)在“可持續(xù)醌電極的高容量水系鋅二次電池”研究方面獲得突破，該工作首次系統(tǒng)研究了醌類電極材料在水系鋅電池中的應(yīng)用，該材料具有廉價(jià)、容易制備、循環(huán)穩(wěn)定性高、能量密度高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，為電動(dòng)汽車、規(guī)模儲(chǔ)能等重大應(yīng)用提供了新選擇。相關(guān)成果發(fā)表于美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)雜志《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)。陳軍院士為通訊作者。

與無機(jī)電極材料相比，有機(jī)電極材料包含碳、氫、氧等廉價(jià)豐富元素，具有輕質(zhì)、環(huán)保、可設(shè)計(jì)合成制備等突出優(yōu)點(diǎn)，在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域極具吸引力。特別是醌類化合物，他們在自然界中無處不在，研究人員從植物、真菌、海洋動(dòng)物和昆蟲中發(fā)現(xiàn)了超過2400種的醌類。這些醌類在藥物和生物電子/離子轉(zhuǎn)移等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，在動(dòng)物和人體內(nèi)，醌類材料輔酶被認(rèn)為是細(xì)胞呼吸和代謝的“激活劑”。

水系Zn-C4Q 電池電化學(xué)性能優(yōu)化

目前，電活性醌電極一般使用有機(jī)電解質(zhì)，根據(jù)相似相容原理，醌類化合物易溶解于有機(jī)溶劑，帶來活性物質(zhì)損失和電池壽命短等難題。研究人員利用電解質(zhì)改性、聚合、鹽化、負(fù)載等方法，提高了醌類的容量保持率。另一方面，醌電極水溶性低，將其應(yīng)用于水系電池是一個(gè)很好選擇。水系電解質(zhì)還具有成本低、操作簡單、環(huán)境友好、安全性高等突出優(yōu)點(diǎn)。鋅價(jià)格低廉、理論高容量高達(dá)820毫安時(shí)每克，具有良好的水兼容性和穩(wěn)定性，適合規(guī)模應(yīng)用，因此可充電水系鋅電池發(fā)展?jié)摿薮螅欢沙渌典\電池發(fā)展受制于正極材料選擇種類少、鋅脫嵌動(dòng)力學(xué)慢等難題。發(fā)展基于非脫嵌反應(yīng)機(jī)制和多電子轉(zhuǎn)移的新型有機(jī)醌類電極材料有望提升鋅電池容量和循環(huán)穩(wěn)定性，具有重要意義。

南開大學(xué)陳軍院士團(tuán)隊(duì)多年來一直致力于有機(jī)醌類電極材料的設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用，近日，他們通過合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將醌類化合物應(yīng)用于可充水系鋅電池。通過對比研究系列醌類化合物，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，具有4個(gè)對苯醌結(jié)構(gòu)單元和8個(gè)羰基的杯醌類正極材料，能夠獲得335毫安時(shí)每克的比容量，充放電平臺(tái)電壓差低至70mV，能量效率高達(dá)93 %，容量遠(yuǎn)超目前報(bào)道的大部分正極材料，并且循環(huán)1000次之后，容量保持率為87%，循環(huán)穩(wěn)定性可與無機(jī)電極材料媲美。

醌電極紅外光譜表征

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)研究人員創(chuàng)新性使用靜電勢計(jì)算方法結(jié)合原位紅外、拉曼和紫外可見光譜等實(shí)驗(yàn)手段，研究推演了有機(jī)醌類材料在電池反過程中的活性位點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)變化，闡明了鋅與柱[4]醌的結(jié)合發(fā)生在碗狀柱[4]醌分子上方的兩個(gè)羰基和底部的四個(gè)羰基上，拓展了電化學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合新方法。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了有機(jī)水系鋅全電池，基于醌正極材料和理論上使用的最低鋅負(fù)極質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，能夠提供220瓦時(shí)每公斤的能量密度，遠(yuǎn)超目前使用的水系鉛酸電池，也與目前商化化的鋰離子電池相當(dāng)。