科研进展丨交联聚苯胺用于长循环水系变色铁电池

2023-05-31
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水系可充电电池具有高安全性,是实现大规模储能候选者。铁是地球上最丰富的元素之一,也是支持现代社会的最便宜的金属之一。更重要的是,金属铁具有良好的电化学性能,即低氧化还原电位(−0.44 V vs.标准氢电极)和高理论容量(7557mAh cm−3或960 mAh g-1)。因此,铁金属正在成为一种可行的负极活性材料用于可充电水电池。然而,一价Li+和二价Fe2+离子的离子半径相似 (Fe2+为0.078nm,Li+为0.076 nm),二价Fe2+离子的电荷量较高。因此,铁离子与主晶格之间发生强静电相互作用,导致扩散缓慢,循环稳定性差。目前,对铁离子电池的研究仍处于初级阶段。开发高稳定的阴极材料仍然是一个挑战,而且铁离子的存储机制尚不清楚。

聚苯胺作为一种经典的电致变色材料,颜色变化丰富,调控波段较宽:从可见光波段到毫米波段,主要用于智能窗、红外隐身和航天智能热控等领域。同时,聚苯胺由于高的导电率、大的理论比容量,与金属离子配位氧化还原机制的快速反应动力学和环保性质,是一种储能系统的电极活性材料。更重要的是,与无机电极材料相比,聚苯胺的长程共轭芳香环,表现出更灵活的结构和对多价离子存储的低排斥力。然而,传统的聚苯胺面临导电性差,电化学稳定性差的缺点,导致循环寿命短,反应动力学缓慢。

基于以上问题,松山湖材料实验室柔性及锌基电池团队提出了一种交联聚苯胺(C-PANI)作为水系铁电池正极材料的策略:使用三聚氰胺作为交联剂,以提高聚苯胺的电导率和电化学稳定性(图一所示)。在测试温度为28°C±1°C时,当用C-PANI作为水系铁电池的正极材料,金属铁负极和1 M三氟甲磺酸铁(Fe(TOF)2)电解质条件下进行测试时,水系铁电池循环寿命达到了39000次循环(图二所示)。此外,机理研究表明,放电过程Fe2+离子与TOF阴离子结合形成带正电荷的复合离子Fe(TOF)+,这些复合离子与质子共同存储在C-PANI结构中(图三所示)。最后,将电致变色与电池相结合(图四所示),制作了一个柔性反射电致变色铁电池原型(图五所示)。这为长寿命水系铁电池和电致变色铁电池的设计提供了新思路。

相关成果以“Cross-linked polyaniline for production of long lifespan aqueous iron||organic batteries with electrochromic properties”为题在国际著名期刊Nature Communications上发表。副研究员吕海明为第一作者,香港城市大学魏志权为共同一作,松山湖材料实验室为第一单位,支春义,李洪飞和深圳理工大学韩翠平为通讯作者。上述研究工作得到了松山湖材料实验室创新样板工厂团队项目、广东省粤莞联合基金、国家自然科学基金等支持。

图一交联聚苯胺的制备

图二 ||交联聚苯胺电池的性能

图三 电池的离子储存机理表征

图四 柔性反射型变色铁电池的制作示意图

图五 变色电池的电池性能和变色性能的表征

 

 

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-023-38890-y

 

 

撰稿:柔性及锌基电池团队