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、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，為電動汽車、規(guī)模儲能等重大應(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、氧等廉價豐富元素，具有輕質(zhì)、環(huán)保、可設(shè)計合成制備等突出優(yōu)點，在電化學(xué)儲能領(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。鋅價格低廉、理論高容量高達(dá)820毫安時每克，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)隊多年來一直致力于有機(jī)醌類電極材料的設(shè)計、制備和應(yīng)用，近日，他們通過合理結(jié)構(gòu)設(shè)計將醌類化合物應(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)隊發(fā)現(xiàn)，具有4個對苯醌結(jié)構(gòu)單元和8個羰基的杯醌類正極材料，能夠獲得335毫安時每克的比容量，充放電平臺電壓差低至70mV，能量效率高達(dá)93 %，容量遠(yuǎn)超目前報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，團(tuán)隊研究人員創(chuàng)新性使用靜電勢計算方法結(jié)合原位紅外、拉曼和紫外可見光譜等實驗手段，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]醌分子上方的兩個羰基和底部的四個羰基上，拓展了電化學(xué)理論與實驗結(jié)合新方法。該團(tuán)隊進(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)行計算，能夠提供220瓦時每公斤的能量密度，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)。