AFM: 高性能水系对称全有机电池双极共轭多孔聚合物电极的结构设计

文章总结

水系对称全有机电池（ASAOBs）因其本质安全性、成本效益和材料丰富性而备受关注。然而，由于双极共轭多孔聚合物（CPP）电极中负（n）型和正（p）型官能团数量不对称导致的巨大库仑斥力，这类电池通常表现出较差的电化学性能。在此，我们设计了三种具有不同 n/p 摩尔比（即 1:0.5、1:1 和 1:1.5）的三苯胺 - 蒽醌稠合 CPP，并系统研究了库仑斥力对其容量和反应动力学的影响。其中，设计的 n:p=1:1 的 CPP（命名为 TNAQ）可显著抵消内部结构中的库仑斥力，有利于阳离子（H⁺）和阴离子（SO₄²⁻）载流子的高效（脱）嵌，实验表征和理论计算均证实了这一点。此外，TNAQ 电极表现出优异的电子 / 离子导电性和赝电容行为，可实现快速反应动力学。因此，TNAQ 电极在 1 A g⁻¹ 电流密度下对 H⁺和 SO₄²⁻存储的可逆容量分别为 80.3 和 83.5 mAh g⁻¹。此外，组装的基于 TNAQ 的 ASAOBs 在 10 A g⁻¹ 电流密度下可提供 57.4 mAh g⁻¹ 的可观容量，且在 5000 次循环后容量保持率为 81.5%，显示出实际应用潜力。

图文简介

a) 已报道的单一阳离子存储（上）或单一阴离子存储（下）型共轭多孔聚合物（CPPs）示意图；b) 本研究设计的阴、阳离子共存储型 CPP 示意图；c) 不同 n 型与 p 型活性位点比例的三苯胺 - 蒽醌稠合 CPP 设计示意图。

合成的 TPAQ（n:p=1:0.5）、TNAQ（n:p=1:1）、TBAQ（n:p=1:1.5）及其相应前体的 FT-IR 光谱图（a-c）；TPAQ、TNAQ、TBAQ 的固态 ¹³C NMR 光谱图（d-f）；使用三电极测试系统在 5 mV s⁻¹ 下不同 CPP 电极的 CV 曲线（g）；1 A g⁻¹ 下的充放电曲线（h）和不同 CPP 电极的 EIS 光谱（i，插图：等效电路图）；三种 CPP 的离子扩散系数（j）；基于放电过程中放大 GITT 曲线的不同 CPP 的电压松弛过程（k）；基于 TPAQ、TNAQ 和 TBAQ 的半电池循环性能（l）。

TNAQ 负极在 - 0.3 至 0.2 V（vs. Ag/AgCl）半电池中的电化学性能

NAQ 正极在 0 至 0.9 V（vs. Ag/AgCl）半电池中的电化学性能

a) 基于 TNAQ 的 ASAOBs 在 0.5 M H₂SO₄水系电解液中的工作机制与电池结构示意图；b) CV 曲线，c) 充放电曲线，d) 倍率性能，e) 全电池在 10 A g⁻¹ 下的长期循环稳定性；f) 基于 TNAQ 的全电池与其他已报道水系全有机电池的综合性能对比；g) 循环过程中全电池的 EIS 光谱；h) 基于 TNAQ 的软包电池在 2 A g⁻¹ 下的循环性能（插图：组装的软包电池光学照片）。

论文信息

通讯作者： Zhiqiang Luo, Ning Zhang

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