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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：

钾阴阴阴阳离子（K-ion）锂電池（PIBs）愈来愈兼备成本费低、电物理药剂学稳相关性性与锂阴阴阴阳离子锂電池相像等突显缺点有哪些，激发了人民范围广的钻研浓厚兴趣。近几载以来，充分会防氧化重置吸附性单质开始称为愈来愈兼备经济发展愈来愈好的金属参比参比工业村料文件。各不相同的钻研组长现已认定书，充分会金属参比参比工业村料应该**地存放一大半径的K阴阴阴阳离子，那是特征提取充分会粉末状的大接缝处个人空间，这不使充分会金属参比参比工业村料相对比较性于特征提取插层-脱嵌制度的高团伙金属参比参比工业村料愈来愈兼备愈来愈明星的特点。特定，研发**的充分会金属参比参比工业村料从未是PIBs商业圈化的极其重要，可能已了解的充分会金属参比参比工业村料的其他关键所在特性指标（如消耗的比能量计算公式、系数稳相关性性和间歇稳相关性性）离预期广泛性应用还好远。当下，在PIBs中施用充分会金属参比参比工业村料有两个人愈来愈明星的互补性性：大部分数小团伙充分会金属参比参比工业村料在流体钛探针质中容解原因厉害（间歇稳相关性力差）；二充分会金属参比参比工业村料导电率相对比较性愈来愈好（低系数稳相关性性）。喜人的是，从团伙项目工程学的弯度应该很好的地处理好处理以上原因：1）构思构思新形的充分会低聚物或高团伙量的杂化物应该处理好处理容解原因。充分会低聚物/杂合物愈来愈兼备确实的物理药剂学组成，与充分会水滑石物比较更特别容易纯化；2）发展芳族π共轭可明显提升 充分会文件的电商导电率，范围广用做充分会发光字广告电感（OLED）和充分会月亮能锂電池（OSC）。考量到愈来愈很多的充分会组成的可构思构思性，可以有诸多高稳相关性性的充分会金属参比参比工业村料等研发。

【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的几步转化成自驾线路；

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光谱图的扩大区域。


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）半电池板中PTCDI-DAQ的异位FT-IR光谱图；

c）OPIBs中PTCDI-DAQ的空气氧化还原成新机制。


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的功率效果；

c）PTCDI-DAQ在3 A g-1下的长循环曲线；

d）**报告模板的K铁离子半锂电池各写定正极的倍数功效汇总表。


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）基线瞬时电流（i）与其他扫描拍照效率内的对数计算（log）直接关系的线型曲线拟合的结果。


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点会亮红白色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）全电池组的300个重复的身材曲线；

c）全电池组的系数功效；

d）此项事情与任何K化合物全充电电池的电量容重和功效容重的相对；

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）