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第一作者：李汶俊
通讯作者：唐武，王焱，樊聪，高剑
通讯单位：电子科技大学，四川长虹电子（集团）有限公司
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53803-3
摘要
本文介绍了一种新型小分子有机双极性电极材料——二喹啉并[2,3-a:2′,3′-c]吩嗪-2,6,10-三(苯并噁嗪)（DQPZ-3PXZ），该材料能够稳定地存储不同电荷和大小的5种对离子（Li+、Na+、K+、PF6-和FSI-），并应用于锂/钠/钾基双离子对称电池。DQPZ-3PXZ基于其坚固的π共轭结构，展现出卓越的电化学性能，在半电池中分别实现了257/243/253 mAh g-1的峰值放电容量，并在双离子对称电池中实现了85/66/72 mAh g-1的稳定放电容量，所有电池均能运行超过15000个循环，且容量保持接近100%。
研究成果
电子科技大学唐武教授团队在《Nature Communications》上发表了题为“Single organic electrode for multi-system dual-ion symmetric batteries”的论文，研究团队设计合成了一种名为二喹喔啉并[2,3-a:2'，3'-c]吩嗪-2,6,10-三（吩恶嗪）（DQPZ-3PXZ）的双极型有机小分子电极材料。基于二喹喔啉并[2,3-a:2'，3'-c]吩嗪（DQPZ）和吩恶嗪（PXZ）构建的大π共轭结构，DQPZ-3PXZ在大多数有机溶剂中显示出较好的不溶性。通过循环伏安法（CV）、红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）以及X射线衍射图谱（XRD）等证实了DQPZ-3PXZ可以不加选择地稳定容纳5种不同电荷和大小的离子（Li+、Na+、K+、PF6-和FSI-）。在Li/Na/K基半电池中，DQPZ-3PXZ可以分别提供257/243/253mAh g-1的峰值放电容量和609/530/572Wh kg-1的峰值能量密度；同时用其构建了Li/Na/K基双离子对称电池，该类电池通过第一次充电过程即可激活。
论文亮点
1.DQPZ-3PXZ作为一种新型有机双极性电极材料，能够稳定存储多种不同电荷和大小的对离子，这是有机电极材料领域的一大突破。
2.DQPZ-3PXZ在锂/钠/钾基半电池中展现了高放电容量和能量密度，分别为257/243/253 mAhg-1和609/530/572 Wh kg-1。
3.基于DQPZ-3PXZ的双离子对称电池展现了超过15000个循环的超长寿命和接近100%的容量保持率，这在电池领域是非常罕见的。
4.该研究为有机电极材料在可充电离子电池中的应用提供了新的思路和实验依据。
图文导读
图1 | 分子设计、合成和表征。
图2 | DQPZ-3PXZ电极的氧化还原机制。
图3 | DQPZ-3PXZ电极的离子存储机制。
图4 | DQPZ-3PXZ在所有基于Li/Na/K的半电池中提出的总体9电子氧化还原机制。
图5 | DQPZ-3PXZ的DFT计算。
图6 | DQPZ-3PXZ阴极在(I) Li、(II) Na、(III) K基半电池中的性能。
图7 | 对称电池性能。
结论
本研究成功设计并合成了一种新型有机双极性电极材料DQPZ-3PXZ，该材料在多种金属离子和阴离子中展现出卓越的存储能力，为双离子对称电池的发展提供了新的可能性。DQPZ-3PXZ的高稳定性和长寿命特性，预示着有机电极材料在高性能电池中的应用前景。
作者简介
唐武，1992年至2003年在西安交通大学获得本科、硕士、博士学位，随后受法中科学及应用基金(FFCSA)的资助在法国特鲁瓦技术大学(UTT）LASMIS实验室进行博士后研究。2004年12月回国在电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室工作，主要研究方向为新能源材料与器件。现为IEEE会员，中国电子学会高级会员，中国材料研究学会青年委员会理事，成都市海外交流协会理事。作为项目负责人已完成国家自然科学基金面上项目2项，国家自然科学基金国际合作项目1项，其余项目若干项。入选2009教育部新世纪优秀人才计划。近年来有关论文在《ACS Appl. Mater. Interfaces》、《J. Mater. Chem. A》、《ChemSusChem》、《Chem. Commun.》、《Applied Physics Letters》等刊物上发表60余篇，其中SCI收录50余篇。
王焱，男，工学博士，电子科技大学材料与能源学院教授，四川省特聘专家，成都市特聘专家，入选电子科技大学星火计划，获得电子科技大学学术新人奖、青年教师教学竞赛二等奖、教学成果三等奖等。从事印制电子材料与集成器件领域研究，包括全印制电子技术、柔性基功能器件、RFID标签天电子科技大学线、敏感材料及器件等。
樊聪，副教授 电子科技大学，微电子与固体电子学院副教授。主持了电子科技大学科研启动基金和国家自然科学基金。主要研究方向为有机功能材料，包括有机光电材料、有机能源材料、有机过渡金属化学、电化学原理及应用及量子计算化学。
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