科研进展丨具有超高自充电效率和速率的Zn//COF水系电池

2024-04-02
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水系锌离子电池(ZIB)因其优异的安全性、低成本和环境友好性而在大规模储能领域引起了人们的极大兴趣。ZIB通常依赖于外部电网进行充电,而可充电电池通常在缺乏电网的极端环境中受到限制。另一方面,空气是一种丰富的、可获取的、可再生的资源,其中含有O2, O2通过氧化还原反应将其能量转化为电能。因此,将氧的能量与电极材料相结合是获得高效自充电电池的有效途径。到目前为止,许多研究人员都致力于利用环境中的空气来开发自充电系统,这为自充电电池的进一步研究提供了一条有希望的途径。然而,由于放电阴极与氧气的氧化还原电位差较小、阴极材料比表面积有限、结构不稳定等因素,以往报道的研究中自充电时间较长。此外,目前还缺乏一种合理的方法来评估阴极材料的自充电性能。因此,开发具有快速自充电能力的材料,建立合理的自充电性能评价方法势在必行。

基于此,松山湖材料实验室水系电池团队,广东工业大学大学何军教授和延安大学李然副教授团队报道了含有芘-4,5,9,10-四酮基团的共价有机骨架(COF-PTO)作为水系自充电锌电池的阴极材料。COF-PTO的有序通道结构提供了出色的容量保留性能和超快速离子转移,在10 A g-1下循环18000次后容量保留率高达98%。为了直观地评价自充电性能,提出了自充电效率η和自充电速率ν用于性能评估。得益于丰富的C=O官能团,使得水系锌离子电池中Zn2+和H+双离子共同嵌入,实现优异的自充电性能,展现的自充电效率η和自充电速率ν均超过了之前的报道。此外,机理研究表明,COF-PTO中的C=N和C=O(苯上)互为邻位结构,很容易与Zn离子形成金属杂环,从而驱动自充电反应的向前进行,增强自充电性能。这项工作拓宽了COF材料在水系锌电池中的应用范围,为设计高效自充电电池铺平了道路。

相关成果以“Self-Charging Aqueous Zn//COF Battery with Ultra-High Self-Charging Efficiency and Rate”为题在国际著名期刊Advanced Materials上发表。广东工业大学与松山湖材料实验室联合培养硕士研究生钟乐恒为第一作者,松山湖材料实验室副研究员吕海明,香港城市大学支春义教授,广东工业大学何军教授和延安大学李然副教授为共同通讯作者,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、广东省基础与应用基础基金等支持。

图1:COF-PTO的合成和表征:a) 合成路线图,b、c) AA堆积模型的俯视图和侧视图, d) 实验与模拟的PXRD谱图以及Pawley精修,e) FT-IR光谱,f) 接触角测试,g) BET测试,h) HRTEM和SAED图像,i) TEM图像及mapping

图2:COF-PTO的电化学测试:a) 扫速为0.5 mV s-1下的CV曲线,b) 不同电流密度下的倍率性能, c) 不同电流密度下的GCD曲线,d) 循环性能对比图,e) 长循环中不同圈数的GCD曲线,f) 10 A g-1下的循环性能

图3:COF-PTO的动力学分析及机理表征:a) 扫速为0.5-10 mV s-1下的CV曲线,b) 不同扫速下的b值, c) 0.5 mV s-1下的容量贡献,d) 不同扫速下的容量贡献,e) GITT曲线以及扩散系数,f) 扩散系数对比图,g)GCD曲线,h) FT-IR光谱,i)Raman光谱,j)充放电状态下Zn的XPS曲线

图4:COF-PTO的自充电性能:a) 不同自充电时间的放电曲线,b) 不同时间的自充电曲线,c) 不同自充电时间下放电容量与充电电压的关系,d) 不同自充电时间下的循环放电曲线,e) 不同充电模式的循环充放电曲线,f) 不同速率下的放电容量和开路电压,g) 自充电/恒流放电循环曲线,h) Zn//COF-PTO电池与先前报道的自充电电池的自充电性能比较。

图5:COF-PTO的自充电机理:a) 不同自充电时间的O的XPS图,b) 浸泡电极的电压变化曲线,c) 浸泡120 h后Zn的XPS图,d) 浸泡120 h前后的FT-IR图,e) 浸泡120 h前后的热重曲线,f) 浸泡120 h前后的Tauc图,g) 自充电机理示意图,h) 促进自充电反应的勒夏特列原理示意图

 

 

撰稿:水系锌基电池团队