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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：

钾高原子化合物（K-ion）电芯（PIBs）更具的低成本投入、电可挥发耐腐蚀特点与锂高原子化合物电芯类似于等凸现优越之处，因起了大众宽泛的的探讨的兴趣。近几余年来，可挥发氧化物还原故宫场景特异性高原子化合物正在逐步变成了更具进步趋势的探针装修物料。各种的探讨团队就已证件，可挥发探针能否**地储存多半径的K高原子化合物，这时面对可挥发混合物的大间隙面积，这让可挥发探针对应于面对插层-脱嵌机理的高原子探针更具分明的优越。眼下，的开发建设**的可挥发探针仍要是PIBs金融业化的至关重要，是因为已新闻报道的可挥发探针的些重中之重产品参数（如消耗的功率密度计算公式、功率特点和无限嵌套循环安全性）离具体适用还距离远。近些年，在PIBs中的使用可挥发探针有两种分明的局部性：基本上数小原子可挥发探针在固态电解设备质中可溶性高，溶于水的疑问较为严重的（无限嵌套循环安全性好）；二可挥发探针导电率对应最好（低功率特点）。胜固的是，从原子项目工程学的视角能否好地搞定以上疑问：1）制作一种新型的可挥发低聚物或高原子量的杂化物能否搞定可溶性高，溶于水的疑问。可挥发低聚物/杂合物更具知道的可挥发耐腐蚀节构，与可挥发汇聚物差距更轻易纯化；2）提升 芳族π共轭可有效地提升 可挥发装修物料的电子为了满足电子时代发展的需求，导电率，宽泛的用来可挥发发亮电子元器件大家庭中的一员-二极管（OLED）和可挥发太阳星能电芯（OSC）。满足到至关充实的可挥发节构的可制作性，须得有多数高特点的可挥发探针 待的开发建设。

【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的这一步炼制的路线；

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种有机的无机化合物的FT-IR光谱仪的变大这部分。


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）半电池充电中PTCDI-DAQ的异位FT-IR光谱图；

c）OPIBs中PTCDI-DAQ的脱色呈现管理机制。


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的功率的性能；

c）PTCDI-DAQ在3 A g-1下的长循环曲线；

d）**检测结果的K化合物半锂电任选定正极的倍数的性能统计报表。


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）峰峰值直流电压（i）与的不同打印传输率相互的多数（log）问题的曲线线性拟合效果。


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点亮起色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）全干电池的300个循环往复申请这类卡种曲线提额；

c）全电池充电的系数耐腐蚀性；

d）这一工作上与另外K阳离子全电芯的人体脂肪溶解度和工作效率溶解度的有点；

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）