隨著太陽能、風能等可再生能源在能源結構調整與能源分配中所占的比例不斷提高，開發(fā)低成本、高性能的可充電儲能電池對于解決間歇性可再生能源的能量輸出至關重要。近日，南開大學化學學院陳軍院士團隊在“可持續(xù)醌電極的高容量水系鋅二次電池”研究方面獲得突破，該工作首次系統(tǒng)研究了醌類電極材料在水系鋅電池中的應用，該材料具有廉價、容易制備、循環(huán)穩(wěn)定性高、能量密度高、安全可靠等優(yōu)點，為電動汽車、規(guī)模儲能等重大應用提供了新選擇。相關成果發(fā)表于美國科學促進會雜志《科學進展》(Science Advances)。陳軍院士為通訊作者。

與無機電極材料相比，有機電極材料包含碳、氫、氧等廉價豐富元素，具有輕質、環(huán)保、可設計合成制備等突出優(yōu)點，在電化學儲能領域極具吸引力。特別是醌類化合物，他們在自然界中無處不在，研究人員從植物、真菌、海洋動物和昆蟲中發(fā)現(xiàn)了超過2400種的醌類。這些醌類在藥物和生物電子/離子轉移等領域發(fā)揮著重要作用，在動物和人體內(nèi)，醌類材料輔酶被認為是細胞呼吸和代謝的“激活劑”。

水系Zn-C4Q 電池電化學性能優(yōu)化

目前，電活性醌電極一般使用有機電解質，根據(jù)相似相容原理，醌類化合物易溶解于有機溶劑，帶來活性物質損失和電池壽命短等難題。研究人員利用電解質改性、聚合、鹽化、負載等方法，提高了醌類的容量保持率。另一方面，醌電極水溶性低，將其應用于水系電池是一個很好選擇。水系電解質還具有成本低、操作簡單、環(huán)境友好、安全性高等突出優(yōu)點。鋅價格低廉、理論高容量高達820毫安時每克，具有良好的水兼容性和穩(wěn)定性，適合規(guī)模應用，因此可充電水系鋅電池發(fā)展?jié)摿薮螅欢沙渌典\電池發(fā)展受制于正極材料選擇種類少、鋅脫嵌動力學慢等難題。發(fā)展基于非脫嵌反應機制和多電子轉移的新型有機醌類電極材料有望提升鋅電池容量和循環(huán)穩(wěn)定性，具有重要意義。

南開大學陳軍院士團隊多年來一直致力于有機醌類電極材料的設計、制備和應用，近日，他們通過合理結構設計將醌類化合物應用于可充水系鋅電池。通過對比研究系列醌類化合物，團隊發(fā)現(xiàn)，具有4個對苯醌結構單元和8個羰基的杯醌類正極材料，能夠獲得335毫安時每克的比容量，充放電平臺電壓差低至70mV，能量效率高達93 %，容量遠超目前報道的大部分正極材料，并且循環(huán)1000次之后，容量保持率為87%，循環(huán)穩(wěn)定性可與無機電極材料媲美。

醌電極紅外光譜表征

同時，團隊研究人員創(chuàng)新性使用靜電勢計算方法結合原位紅外、拉曼和紫外可見光譜等實驗手段，研究推演了有機醌類材料在電池反過程中的活性位點以及結構變化，闡明了鋅與柱[4]醌的結合發(fā)生在碗狀柱[4]醌分子上方的兩個羰基和底部的四個羰基上，拓展了電化學理論與實驗結合新方法。該團隊進一步構建了有機水系鋅全電池，基于醌正極材料和理論上使用的最低鋅負極質量進行計算，能夠提供220瓦時每公斤的能量密度，遠超目前使用的水系鉛酸電池，也與目前商化化的鋰離子電池相當。