江苏科技大学晏超、张恒AEM:硫杂环芳香胺聚合物用于长寿命和全有机水系镁离子电池

学术   2024-10-28 11:01   江苏  

有机聚合物材料因其可持续性和结构可设计性在可充水系镁离子电池(AMIB)中引起了广泛关注。然而,它们的氧化还原活性位点不足、在水系电解液中的溶解性和短程共轭结构阻碍了离子存储能力,进而导致能量密度低和循环稳定性差。近日,江苏科技大学晏超教授张恒博士构建了一种硫杂环芳香族聚酰亚胺基有机聚合物(PTDBS),其具有多个氧化还原活性位点和长程共轭物,用作AMIB阳极的活性材料时,实现了出色的Mg2+储存能力。研究显示,受益于引入的硫醚键,PTDBS具有增强的电子传导性和额外的氧化还原活性位点,用于可逆的Mg2+配位,从而确保了高氧化还原活性和优异的电子亲和力。因此,PTDBS电极在MgCl2水系电解液中提供了超快和稳定的Mg2+储存,在10.0 A g−1下具有98.6 mA h g−l的优越倍率容量,并具有7500次循环中的出色循环稳定性(容量保持率为90.0%)。值得注意的是,通过耦合PTDBS阳极和聚吲哚阴极实现的全有机水系全电池实现了高能量密度和长寿命。这项工作为开发用于大规模水系储能的高度稳定的全有机电极材料奠定了基础。

文章要点:

1. 该工作创新性地提出并构建了一种硫杂环芳香族聚酰亚胺基有机聚合物(PTDBS),以在MgCl2水系电解液系统中实现快速、稳定和高容量的Mg2+储存。

2. 在所制备的PTDBS框架中,苝-3,4,9,10-四羧酸二酐(PTCDA)和2,2′-二氨基-4,4′-双噻唑(DBS)的脱水缩合反应增强了共轭结构特征,导致氧化还原活性位点完全暴露,包括羰基(C=O)、亚胺(C=N)和硫醚键(C−S−C)。其中,硫醚键的引入不仅降低了LUMO-HOMO能级的带隙,而且提高了PTDBS的氧化还原活性,因此改善了电化学动力学和Mg2+存储能力。

3. 研究显示,PTDBS作为AMIB阳极的活性材料表现出优异的电化学性能,在1.0 A g−1下的初始放电容量为190.2 mAh g−l,在10.0 A g−1的高倍率下的可逆容量为98.6 mAh g–1,以及在10.0 A g g–1下7500次循环后的容量保持率高达90%,远远超过了大多数传统有机电极材料。

4. 通过耦合PTDBS阳极和聚吲哚(PIND)阴极组装的全有机水系全电池可提供94.2 Wh kg−1的高能量密度和超过10000次循环的长寿命。

图1 PTDBS阳极的设计

图2 材料表征

图3 PTDBS的电化学性能研究

图4 动力学研究

原文链接:
https://doi.org/10.1002/aenm.202403934
名称:材料科学前沿
ID:MaterialFrontiers
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