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水系电池由于其高安全性和低成本,在大规模储能领域展现出良好的应用前景。金属锌在水系电解液中化学性能稳定、比容量高(理论比容量高达820 mAh   g-1),因此,在各种水系金属电池中,水系锌电池受到了广泛的关注。水系锌电池电化学性能主要决定因素之一就是正极材料的设计。在众多正极材料中,有机材料由于具有可再生、环境友好、成本低和结构多样等特点,是一类非常有前景的水系电池电极材料。一般情况下,水系锌/有机电池中的能量存储机制是锌离子与活性官能团羰基之间的配位反应。然而,羰基类有机材料自身导电性较差,并且放电产物易溶于水,因此在水系锌/有机电池中表现出较差的倍率和循环性能。除了锌离子,质子由于较小的半径和相对原子质量也可作为理想的电荷载体。如果在水系锌/有机电池中实现质子的嵌入和脱出,不仅可以扩展水系锌/有机电池体系,而且也为提高水系锌/有机电池的电化学性能提供新思路。

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近日,牛志强研究员团队开发了基于二喹喔啉并[2,3-a:2',3'-c]吩嗪(HATN)正极材料的水系有机电池,实现了质子在水系有机电池中的嵌入/脱出。在这种电池体系中,电解液中水分解产生的H+嵌入HATN,对应的OH-与电解液反应生成Zn4SO4(OH)6·5H2O来维持电解液体系的pH平衡。在此电池体系中,单个HATN分子可实现6个质子的嵌入,因此,它表现出高达405 mAh   g-10.1 A g-1)的首圈放电比容量。由于质子快速嵌入/脱出的反应动力学过程,水系Zn/HATN电池展现出优异的倍率性能。即使在20 A g-1的电流密度下,Zn/HATN电池仍然保持123 mAh g-1的比容量。此外,HATN分子π共轭的芳香结构,加强了π-π分子间的相互作用,抑制了其在水系电解液中的溶解。在5 A g-1的电流密度下,Zn/HATN电池循环5000圈仍展现出93.3%容量保持率。相关结果发表Angewandte Chemie   International Edition (2020, 10.1002/anie.201916529)上。

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