由于聚合物的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使用聚合物正極材料的可充電水系鋅離子電池（AZIBs）通常表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。然而，它們的進(jìn)一步發(fā)展受到相對(duì)較低的產(chǎn)能的限制。在此，本工作主要設(shè)計(jì)了在二維方向上具有豐富的亞氨基活性位點(diǎn)的石墨烯-共軛微孔聚合物復(fù)合材料G-Aza-CMP，，具有超高理論容量 (602 mAh g
-1 ) 用于 AZIBs。石墨烯的引入使Aza-CMP暴露出更多的活性位點(diǎn)與H
+ /Zn
2+配位，甚至促進(jìn)了H
+的儲(chǔ)存以獲得更快的動(dòng)力學(xué)，并賦予了G-Aza-CMP//Zn電池的氧化還原能力贗電容機(jī)制。因此，使用 G-Aza-CMP 作為陰極的 AZIBs 在 0.05 A g
-1下表現(xiàn)出 456 mAh g
-1 的非凡比容量，以及在 10 A g
-1下 9700 次循環(huán)后具有出色的循環(huán)穩(wěn)定性和 91.2% 的容量保持率。該研究為AZIBs高容量聚合物正極材料的電荷存儲(chǔ)機(jī)制和設(shè)計(jì)提供了新的見(jiàn)解。
Figure 1. (a) 具有2M ZnSO
4電解質(zhì)的水系 G-Aza-CMP//Zn 電池系統(tǒng)中H
+ /Zn
2+存儲(chǔ)機(jī)制的示意圖。(b) Aza-CMP 和 G-Aza-CMP 的合成路線。
Figure 2. Aza-CMP 和 G-Aza-CMP 材料的表征。(a) Aza-CMP 的 HR-TEM 圖像。(b) N
2吸附-解吸等溫線和插圖顯示了Aza-CMP 的孔徑分布。(c) G-Aza-CMP、Aza-CMP 和rGO的 FT-IR 光譜。(d) G-Aza-CMP、Aza-CMP 和 rGO 的TGA曲線。(e) G-Aza-CMP、Aza-CMP 和 rGO 的XRD 圖譜。(f) G-Aza-CMP 的 SEM 圖像。(g) G-Aza-CMP 的TEM圖像。(h) rGO 的插圖顯示了更多的 Aza-CMP 活性位點(diǎn)，并比較了 H
+/Zn
2+的插入率。
Figure 3. G-Aza-CMP電極在2M ZnSO
4電解液中的電化學(xué)性能。(a) G-Aza-CMP電極在0.05 A g
-1電流密度下的GCD曲線。(b) G-Aza-CMP與已經(jīng)報(bào)道的聚合物電極材料其理論容量和實(shí)際放電容量對(duì)比圖。包括 HqTp、PA-COF、HAQ-COF、M-PTPA、PDBS、PANI、PBQS、PDA、PTVE、PPy、POLA。(c) G-Aza-CMP 和 Aza-CMP 電極的倍率性能,在 0.1-10.0 A g
-1的電流范圍內(nèi)測(cè)量。(d) G-Aza-CMP 電極與先前報(bào)道的 n 型有機(jī)電極材料的倍率性能比較。(e) G-Aza-CMP電極在0.2 mV s
-1的掃描速率下測(cè)試的CV曲線. G-Aza-CMP 和 Aza-CMP 電極在 (f) 0.1 A g
-1和 (g) 10.0 A g
-1的電流密度下的循環(huán)穩(wěn)定性。(h) G-Aza-CMP 電極與 Aza-CMP 電極的EIS比較。
Figure 4. 通過(guò)（放電）過(guò)程中的各種異位表征研究 G-Aza-CMP 電極中的H
+ /Zn
2+存儲(chǔ)機(jī)制。（a）G-Aza-CMP在充放電過(guò)程中與Zn
2+/H
+配位結(jié)合示意圖。（b）Aza-CMP的ESP圖。（c）選取G-Aza-CMP在不同充放電時(shí)的狀態(tài)。（d）不同充放電狀態(tài)下G-Aza-CMP的FT-IR圖。（e）不同充放電狀態(tài)下G-Aza-CMP的XPS圖。（f）不同充放電狀態(tài)下G-Aza-CMP的XRD圖。（g）不同充放電狀下G-Aza-CMP的SEM圖和元素分析。
Figure 5. 通過(guò)各種電化學(xué)測(cè)試研究 G-Aza-CMP 電極中的電荷存儲(chǔ)機(jī)制。(a) 在三電極系統(tǒng)中以 0.5 mV s
-1測(cè)試的 CV 曲線。(b) 在H
2SO
4 (pH=4) 或2M ZnSO
4 (pH=4)的三電極系統(tǒng)中測(cè)試的電流密度為0.05 A g
-1的G-Aza-CMP電極的放電曲線為電解質(zhì)。(c) 在 0.5 mV s
-1的 Zn//G-Aza-CMP 水溶液電池系統(tǒng)中測(cè)試的 CV 曲線。(d) 在0.05 A g
-1的電流密度下在不同電解質(zhì)體系中測(cè)試的放電曲線。
Figure 6. 通過(guò)各種電化學(xué)測(cè)試研究 G-Aza-CMP 電極中的電荷存儲(chǔ)動(dòng)力學(xué)。(a) Aza-CMP 電極在不同 pH 值的 2M ZnSO
4電解液中的EIS比較。(b) 在從 0.1 到 2.0 mV s
-1的各種掃描速率下測(cè)試的 CV 曲線。(c)在從不同掃描速率下的CV曲線獲得的特定峰值電流處log(峰值電流，mA)與log(掃描速率，mV s
-1 )的線性關(guān)系。(d) 不同掃描速率下的電容控制和擴(kuò)散控制容量貢獻(xiàn)。(e) 2.0 mV s
-1的電容控制容量貢獻(xiàn). (f) 恒電流間歇滴定技術(shù) (GITT) 曲線和G-Aza-CMP 和 Aza-CMP 在 0.03 A g
-1下計(jì)算的離子擴(kuò)散系數(shù)的比較。
Figure 7. G-Aza-CMP與不同數(shù)目的H
+/Zn
2+結(jié)合的吉布斯自由能模擬分析。
相關(guān)研究工作由復(fù)旦大學(xué)Mingxin Ye和Jianfeng Shen課題組于2022年在線發(fā)表于《Energy Storage Materials》期刊上。原文; High capacity and long-life aqueous zinc-ion battery enabled by improving active sites utilization and protons insertion in polymer cathode。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
