Batteries & Supercaps:共轭偶氮化合物作为高倍率性能可充电钠金属电池的活性材料

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近年来,有机电极材料由于其丰富的储量、价格低廉、可设计性和环境友好性等优势,且其良好的柔韧性使其能够容纳较大的钠离子,而不会造成明显的体积膨胀,在钠金属电池领域得到了越来越多的关注。然而有机材料通常易溶解在有机电解液中,导致材料的高容量难以挥发以及电池电化学性能衰退和动力学反应缓慢等一系列问题。因此,开发具有高比容量和快速离子扩散的高效稳定有机聚合物作为钠金属电池电极材料是目前储能系统发展的迫切需求。


近日,香港城市大学张其春教授课题组和燕山大学黄苇苇教授课题组报道了一种通过简单希夫碱反应合成的共轭线性聚合物聚对苯二甲醛-4,4'-二氮苯胺(p-PADA)作为钠金属电池的电极材料,并与具有相同重复单元的小分子化合物苯甲醛-4,4'-二氮苯胺(BADA)进行了比较,探究分子结构设计对于有机电极材料储钠性能的影响。



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图1 BADA和p-PADA的(a)合成路线及(b)HOMO和LUMO能级

与小分子化合物BADA相比,线性聚合物p-PADA几乎不溶于有机电解质,具有更好的循环稳定性,并表现出优异的电化学动力学和倍率性能。这源于聚合扩展了π共轭结构,从而有效改善了聚合物的电化学性能。同时,C=N和N=N对p-PADA电化学活性的共同修饰促进了钠离子的储存,使电池达到高容量。在5 A g-1的高电流密度下,p-PADA电池的比容量可达400 mAh g-1,大大高于BADA(264 mAh g-1)。其优异的循环能力使其在1000次循环后仍可保持313 mAh g-1的比容量。

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图2 (a)p-PADA电极在0.5 mV s−1的扫描速率下的CV曲线。(b)p-PADA的恒流充放电曲线。BADA和p-PADA的(c)倍率性能和(d)在5 A g−1时的循环性能。

此项工作通过对两种电极材料的电化学性能研究,揭示了分子结构与电化学性能的关系。p-PADA具有良好的结构稳定性和扩展的π共轭结构,在相同的实验和测试条件下,其电化学性能远优于BADA。证明了分子聚合和扩展共轭结构可以显著改善有机材料的电化学性能,这对于高性能有机电极材料的研究发展具有参考意义。

文信息

Conjugated Azo Compounds as Active Materials for Rechargeable Sodium-Metal Batteries with High-Rate Performance

Jiawen Wang, Dr. Yifan Tong, Prof. Weiwei Huang, Prof. Qichun Zhang


Batteries&Supercaps

DOI: 10.1002/batt.202200413




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