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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：

钾阳阴阴阳离子（K-ion）锂锂电瓶（PIBs）包括代价低、充分生物学工业特性与锂阳阴阴阳离子锂锂电瓶类似的等重点好处，引发了消费者诸多的学习方案好感。近几年里来，充分脱色还原成灵活性无机酸的质肥料物正在逐步称得上极强成长 行业发展前景、、、、、、的金属参比参比工业村料。区别的学习方案课题组己经证明文件，充分金属参比参比工业能够 **地手机存储半个径的K阳阴阴阳离子，那是由于充分固态垃圾的大隙缝服务器，这适用充分金属参比参比工业相于由于插层-脱嵌机能的硅化物金属参比参比工业包括凸显的优缺点。某个，制作**的充分金属参比参比工业如果是PIBs商用化的极其重要，担心已有关报道的充分金属参比参比工业的这些要点参数指标（如人体脂肪导热系数、功率特性和反复固定性处理）离现实情况应运还愈来愈远。近年，在PIBs中适用充分金属参比参比工业有两大凸显的片面性性：大部份数小原子核充分金属参比参比工业在液體电解设备质中分解完问題可怕（反复固定性处理差）；第二充分金属参比参比工业电阻率相最号（低功率特性）。令人激动的是，从原子核过程学的维度能够 很棒地避免处理下列问題：1）制作新形的充分低聚物或高原子核量的杂化物能够 避免处理分解完问題。充分低聚物/杂合物包括制定的生物学工业形式，与充分聚合反应物较之更更易纯化；2）拓展芳族π共轭可明显的提升充分村料的电商电阻率，诸多用在充分发亮整流二极管（OLED）和充分月亮能锂锂电瓶（OSC）。注重到愈来愈充沛的充分形式的可制作性，需求有成千上万高特性的充分金属参比参比工业等候制作。

【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的一步骤自动合成路线规划；

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种有机肥料氧化物的FT-IR光谱图的增加大部分。


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）半电瓶中PTCDI-DAQ的异位FT-IR光谱分析；

c）OPIBs中PTCDI-DAQ的空气氧化重现系统。


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的倍数性能指标；

c）PTCDI-DAQ在3 A g-1下的长循环曲线；

d）**通知单的K正离子半电池充电选出定正极的系数效果梳理。


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）峰峰值工作电流（i）与有差异 复印传输速度期间的对数计算（log）关联的非线性线性拟合的结果。


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点一闪一闪蓝色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）全手机电池的300个再循环折线；

c）全手机电池的系数耐腐蚀性；

d）一项运转与其他的K化合物全锂电池的正能量溶解度和马力溶解度的相比；

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）