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新型不溶性有机正极用于有机钾离子电池
发布时间：2020-09-03     作者：harry   分享到：

钾正阴亚铁离子（K-ion）锂充电微型蓄电池（PIBs）体现了费用低、电普通机械安全效能与锂正阴亚铁离子锂充电微型蓄电池相似性等出色胜机之处，因起了患者很大量的研究分析方案求知欲。近几余载，硅化物肥料生物被氧化恢复活性酶类硅化物肥料化合物日渐将成为比较有未来发展行业前景的电级物料。的不同的研究分析方案协作组就已经 发现，硅化物肥料生物电级能够 **地内存半个径的K正阴亚铁离子，真是特征提取硅化物肥料生物固态的大洞眼空间，这不使硅化物肥料生物电级较为于特征提取插层-脱嵌机制化的硅化物电级体现了显眼的胜机。现行，发展**的硅化物肥料生物电级仍要是PIBs商务化的一把手过程，所以已报道怎么写的硅化物肥料生物电级的一点关键性规格（如热量体积、系数安全效能和间歇不平稳量分析性）离现实的技术应用还距离远。日前，在PIBs中实用硅化物肥料生物电级有二个显眼的随意性性：大部份数小原子核硅化物肥料生物电级在固态电解设备质中可溶性高，溶于水的情况频发（间歇不平稳量分析性好）；第二是硅化物肥料生物电级纯水电阻率较为比较（低系数安全效能）。日新月异的是，从原子核过程学的斜度能够 很好地满足综上所述情况：1）规划创新的硅化物肥料生物低聚物或高原子核量的杂化物能够 满足可溶性高，溶于水的情况。硅化物肥料生物低聚物/杂合物体现了制定的普通机械格局，与硅化物肥料生物缩聚物比起更会纯化；2）延长芳族π共轭可相关延长硅化物肥料生物物料的电子元器件纯水电阻率，很大量广泛用于硅化物肥料生物会亮肖特基二极管（OLED）和硅化物肥料生物太阳光能锂充电微型蓄电池（OSC）。考虑的到很多样化的硅化物肥料生物格局的可规划性，都要有诸多高安全效能的硅化物肥料生物电级等待中发展。

【成果简介】

近日，电子科技大学樊聪/唐武团队为有机钾离子电池（OPIB）设计了一种新型的不溶性小分子有机正极[N,N'-双(2-蒽醌)]-苝-3,4,9,10-四羧基二酰亚胺（PTCDI-DAQ，200 mAh g-1）。在二甲氧基乙烷（DME）使用1 m KPF6的半电池（1-3.8 V vs K+/K）中，PTCDI-DAQ提供了216 mAh g-1的高度稳定的比容量，并在20 A g-1（100 C）的超高电流密度时仍保持133 mAh g-1的比容量。使用还原的对苯二甲酸钾（K4TP）作为有机负极，在DME中使用电解质为1 m KPF6的所得K4TP || PTCDI-DAQ OPIBs可实现更大295 Wh kg-1正极（213 mAh g-1正极×1.38 V）的高能量密度。在0.2-3.2 V工作电压下拥有13800 W Kg-1正极（94 mAh g-1×1.38 V@10 A g-1）的功率密度。同时，K4TP || PTCDI-DAQ OPIBs具有超长的使用寿命，10000次循环后，其稳定放电容量为62 mAh g-1正极，3万次循环后稳定放电容量为40 mAh g-1正极（3 A g-1）。PTCDI-DAQ的综合性能达到目前世界更好水平。该成果以题为“Novel Insoluble Organic Cathodes for Advanced Organic K-Ion Batteries”发表在了Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】


图1 PTCDI-DAQ的结构表征

a）PTCDI-DAQ的一部镶嵌路线图；

b）PTCDI-DAQ在D2SO4中的1H NMR光谱； 

c）分别为AQNH2、PTCDA、PTCDI和PTCDI-DAQ的FT-IR光谱； 

d）4种有机肥料化学物质的FT-IR光谱分析的调大位置。


图2 PTCDI-DAQ的氧化还原机制


a）半电池中PTCDI-DAQ的多重CV曲线（扫描速率为0.1 mV s-1，电压为1-3.8 V vs K+/K）；

b）半锂电中PTCDI-DAQ的异位FT-IR光谱图；

c）OPIBs中PTCDI-DAQ的阳极氧化还原故宫场景工作机制。


图3 不同电解质中PTCDI-DAQ的充放电曲线


a）DME中1 M KPF6电解质中PTCDI-DAQ的充放电曲线；

b）DME中1 M KPF6 + 0.05 M LiTFSI电解质中PTCDI-DAQ的充放电曲线。


图4 不同电解质的K||Cu电池的电压曲线


a）DME中1 M KPF6的K||Cu电池的电压曲线；

b）DME中的1 M KPF6 + 0.05 M LiTFSI的K||Cu电池的电压曲线。

c）分别使用DME中的1 M KPF6和DME中的1 M KPF6 + 0.05 M LiTFSI在1 mA cm-2时，K||K对称电池的循环性能。


图5 PTCDI-DAQ的循环曲线


a）带有LiTFSI的PTCDI-DAQ在100 mA g−1处的循环曲线；

b）PTCDI-DAQ的功率特点；

c）PTCDI-DAQ在3 A g-1下的长循环曲线；

d）**通知单的K铝离子半电池板各写定正极的系数功能汇总表。


图6 PTCDI-DAQ在不同扫描速率下的CV曲线


a）GITT曲线和b）PTCDI-DAQ的实现K+扩散系数（D）；

c）PTCDI-DAQ在0.1~10 mV s-1的不同扫描速率下的CV曲线；

d）最高值交流电（i）与不同的扫面传送速度互相的多数（log）影响的曲线线性拟合可是。


图7 PTCDI-DAQ基正极和K4TP负极的OPIBs的结构


a）PTCDI-DAQ基正极和K4TP负极的OPIBs的结构；

b）OPIBs点会亮红颜色LED。


图8 K4TP||PTCDI-DAQ全电池的电化学表征


a）K4TP || PTCDI-DAQ全电池在0.2-3.2 V电压范围内的充放电曲线；

b）全锂电的300个再循环线条；

c）全电池组的倍数特性；

d）仅仅岗位与某个K亚铁离子全电池充电的电量相对密度计算公式和输出功率相对密度计算公式的更；

e）3 A g-1时全电池的长循环曲线。


【小结】


报道了一种新型的不溶性小分子有机正极PTCDI-DAQ，其比容量为200 mAh g−1。PTCDI-DAQ在半电池和全电池中均表现出令人印象深刻的循环稳定性、高速率性能和长寿命。例如，所得到的全电池可以提供295 Wh kg-1正极的高能量密度，高功率密度的13 800 Wkg-1正极和超过30 000个循环的超长寿命。总之，这项工作为高性能有机电极的分子设计打开了大门，同时也为有机钾离子电池的发展迈出了重要的一步。

文献链接：

Novel Insoluble Organic Cathodes for Advanced Organic K-Ion Batteries（Adv. Funct. Mater.， 2020，DOI:10.1002/adfm.202000675）