电池

Aenert. Research Laboratory news
水系锌有机电池 (ZOB) 是一种相当现代的电池，具有锌离子电池和有机阴极材料的所有优点：它们利用可再生资源，并对二氧化碳排放产生积极影响。尤其是其分子结构的可调性和可产生有机反应的多样性，使得有机材料在储能领域具有无限的潜力。有机电极具有柔性、绿色且表现出良好的电化学性能。金属成分锌还为电池组件带来了许多好处，因为它成本低、安全且离子尺寸小。
然而，锌有机电池仍面临某些问题，在大规模使用之前必须克服这些问题。这些问题之一是它们由于其固有的分子结构、随机堆叠特性和不可避免的官能团溶解而导致电子传导性有限、能量密度低和可循环性低。因此，人们对探索能够克服上述障碍的新型有机阴极产生了极大的兴趣。

现在（ 2023年），科学家们设计了一种非常高效的有机锌电池，其出色的性能是通过在完全共轭的二维氢键有机框架内控制电子离域作为阴极材料来实现的。其原因是分子间氢键将该框架转变为横向二维扩展堆叠网络并赋予其结构稳定性。同时，各种C = O和C = N电活性中心相互作用，触发具有超离域的多电子氧化还原化学，从而提高氧化还原电位、本征电子电导率和氧化还原动力学。还发现完全共轭的分子构型带来了可逆的Zn²⁺/H⁺协同存储和10电子转移。由于协同效应，有机正极在0.2 A^g−1−1、良好的循环性能和高能量密度（355 Wh kg⁻¹）。

科学家们通过应用亲核功能化策略，即苯并[a]苯并[7,8]，构建了超电子离域完全共轭二维（2D）氢键有机框架（F-HOF）喹喔啉[2,3-i]吩嗪-5,6,8,14,15,17-己烷 (BBQPH) F-HOF，具有协同 C = O 和 C = N 吸电子基序。这些基序能够改变分子内电子分布，从而提高氧化还原电压并触发 ZOB 的多电子存储化学。多个分子间氢键（C = N·H/C = O·H）与π-π堆积相互作用（芳环π键之间的非共价轨道重叠）相结合也可以提高BBQPH的结构稳定性。此外，超电子离域还增强了氧化还原电位、本征电子电导率和氧化还原动力学。还发现 BBQPH 电极对于水性 ZOB具有 1.2 V 的高电压、改进的容量（ 0.2 A g ^{-1下为 498.6 mAh g -1}）以及在 5.0 A g ^{-1下 >1000 次循环的良好循环性能。}此外，还进行了异位研究和理论模拟，以更深入地了解伴随10电子转移的可逆Zn ²⁺ /H ^{+协同存储机制。}

此外，为了精确地确定所设计分子的电子离域，首先计算静电势（ESP）和分子轨道以评估固有电子特性。与 BBQPD 相比，邻醌官能团（通过将偶数个 –CH= 基团转化为 –C(=O)– 基团衍生自芳香族化合物，从而产生完全共轭的环状化合物）的 ESP 值（−0.058 au）由于其超电子离域和高度共轭对称结构，BBQPH 的二酮结构）有所减少。同时，BBQPH 表现出更剧烈的电子离域，这导致分子偶极矩更小，分子内电子从共轭平面中心迁移到邻醌基团。根据能带和部分态密度，发现所设计的BBQPH在费米能级处存在电子态密度增加，这被认为主要是由C=O基团贡献的。这证明邻醌增加了超电子离域，也强调了 BBQPH 快速电荷转移的潜力。因此，精心定制的 BBQPH 对 ZOB 具有显着的吸引力。

Image: a Scheme of the composition of the electrode potentials (µA and µC), which are related to the electron energy of molecular orbitals. The open-circuit voltage for ZOBs depends on the HOMO energy of the organic cathode: Voc = µA−µC. b Chemical structures of BBQPD and BBQPH. c Simulated ESP distributions of BBQPD and BBQPH. d Calculated relative HOMO/LUMO energy levels and energy gaps used in the DFT method. e Energy band spectrum and corresponding pDOS of the simulated BBQPH



Source: Wenda Li, Hengyue Xu, Hongyi Zhang, Facai Wei, Lingyan Huang, Shanzhe Ke, Jianwei Fu, Chengbin Jing, Jiangong Cheng & Shaohua Liu/ Tuning electron delocalization of hydrogen-bonded organic framework cathode for high-performance zinc-organic batteries/ Nature Communications volume 14, Article number: 5235 (2023), 28 August 2023/ doi.org/10.1038/s41467-023-40969-5/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

条款分发科学家们正在热衷于推进有机锌电池技术。2023年，分析了夹心结构苝二酰亚胺-乙二胺/石墨烯（PDI-EDA/EG）复合材料在电池应用中的适用性。研究发现，二维石墨烯主体能够通过 π-π 堆积与 PDI-EDA 聚合物相互作用，从而加速离子/电子转移、提供许多活性位点、结构完整性并降低混合电极的溶解度。该混合电极表现出高容量（优异的倍率性能和高耐用性（1000次循环后仍保留93.4%的容量）。通过非原位傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了混合电极在插入/拔出循环过程中的结构演变) 和 X 射线光电子能谱 (XPS)。它揭示了羰基位点上可逆的 Zn ²⁺存储。此外，构建了一个原型摇椅式 ZIB 电池，具有预插入锌的 MnO ₂阴极，显示出超高的能量密度功率密度为 42.5 W kg ^-1时容量为 54.9 Wh kg ^-1，稳定性高，1000 次循环后容量衰减很小。

Image: (a) Schematic of PDI-EDA/EG composite preparation. (b) XRD patterns, (c) FTIR spectra, and (d) Raman spectra of EG, PDI-EDA, PDI-EDA/EG-20. (e–h) SEM images of PDI-EDA, PDI-EDA/EG-10, PDI-EDA/EG-20, and PDI-EDA/EG-30 samples, respectively



Source: Yuyan Tang, Shaohui Li, Meng-Fang Lin, Jingwei Chen/ A π–π Stacked High-Performance Organic Anode for Durable Rocking-Chair Zinc-Ion Battery/ Batteries 9(6):318, June 2023/ DOI:10.3390/batteries9060318/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

分发2023年，创建了一种纳米纤维素-羧甲基纤维素（CMC）水凝胶电解质，该电解质具有稳定的循环性能和高Zn²⁺电导率（26 mS cm-¹）。这归因于该材料强大的机械强度和水结合能力。使用该电解液，锌金属负极在高倍率下具有较高的循环稳定性，能够在3500次以上的循环中保持高达80 mA cm-2的电流密度，累积容量为17.6 Ah cm-2（ 40毫安厘米⁻²）。此外，由于 CMC 具有很强的水键合能力，包括析氢和表面钝化在内的副反应也减少了。包含这种电解质的全Zn||MnO₂电池表现出非常好的高倍率性能和长期循环稳定性。

Image: Cellulose‐CMC electrolyte for aqueous Zn ion batteries. A) When the electrolyte membrane is made of pure cellulose, there is either too much free water that causes parasitic side reactions, or too little water after drying that causes low Zn²⁺ conductivity. B) In contrast, by adding CMC within the cellulose matrix, after a squeeze‐dry process to reduce the amount of free water molecules and to mitigate parasitic side reactions, there are still water molecules bonded along the CMC chains, which enables the transport of the Zn ions



Source: Lin Xu, Taotao Meng, Xueying Zheng, Tangyuan Li/ Nanocellulose‐Carboxymethylcellulose Electrolyte for Stable, High‐Rate Zinc‐Ion Batteries/ Advanced Functional Materials 33(27), April 2023/ DOI:10.1002/adfm.202302098/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

的条款分发。 有机锌电池具有以下几个优点： 通过超电子离域，改变分子内电子分布，从而在转，显着增加氧化还原电位。高输出电压与高容量的结合造就了电池的高能量密度。有机电极分子作为正极材料由于其环境友好性、可持续性、结构可设计性和丰富性而特别适合电池。

水性锌有机电池是一种很有前途且相当新颖的电池设计技术。它们有利于环境并利用丰富的资源。然而，由于性能稳定的问题尚未解决，完全可部署的电池可能还需要数年时间才能投入市场。

编委会