Angew用于超快鋰和多價(jià)金屬電池的通用有機(jī)正極

【引言】

自1991年第一次商業(yè)化以來，由于其高能量密度，鋰離子電池（LIBs）一直主導(dǎo)著當(dāng)前的能源儲(chǔ)存格局。然而，眾多安全事件，有限的資源供應(yīng)（鋰，鈷）和高成本似乎限制了汽車市場(chǎng)和固定儲(chǔ)能系統(tǒng)的大規(guī)模利用。將可再生能源（如太陽能和風(fēng)能）產(chǎn)生的間歇性發(fā)電集成到電網(wǎng)中的需求日益增加，這需要對(duì)環(huán)境友善／安全，具有成本效益且循環(huán)壽命長(zhǎng)的鋰離子電池。在鋰離子電池以外的電池化學(xué)中，鎂金屬電池（MMBs）和鋁金屬電池（AMBs）有望用于大規(guī)模能量存儲(chǔ)，因?yàn)殒V和鋁金屬不僅豐富且安全，而且還通過多電子氧化還原賦予能量。 然而，它們的商業(yè)化受到正極功率密度和循環(huán)壽命較差的困擾。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，馬里蘭大學(xué)王春生（通訊作者）團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種通用聚酰亞胺＠CNT（PI＠CNT）正極，可以以極快的速度可逆地存儲(chǔ)不同價(jià)態(tài)的各種陽離子（Li＋，Mg2＋，Al3＋）。團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了PI＠CNT的離子配位電荷儲(chǔ)存機(jī)制。使用PI＠CNT正極和相應(yīng)金屬負(fù)極的全電池具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命（＞ 10000次循環(huán)），快速動(dòng)力學(xué)（＞ 20°C）和寬工作溫度范圍（－40°C至50°C），使聚酰亞胺將成為不同多價(jià)金屬電池的通用正極。穩(wěn)定的離子協(xié)調(diào)機(jī)制為開發(fā)高能量和高功率的多價(jià)電池打開了新的思路。相關(guān)成果以題為“A Universal Organic Cathode for Ultrafast Li‐ and Multivalent Metal Batteries”發(fā)表在了Angew上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 合成示意圖

（a）PI＠CNT合成的示意圖

（b）合成的PI＠CNT的FTIR光譜

（c－f）PI／CNT復(fù)合材料的TEM圖像（c，d，e）和HRTEM圖像（f）

圖2 動(dòng)力學(xué)和定量機(jī)理分析

（a）使用峰值電流和掃描速率之間的關(guān)系確定b值

（b－d）對(duì)于不同價(jià)電池：（b）LIBs； （c）MMBs； （d）AMBs，電容（紅色區(qū)域）和擴(kuò)散控制對(duì)于PI／CNT復(fù)合材料的電荷儲(chǔ)存的貢獻(xiàn)

圖3 性能評(píng)價(jià)

（a）從Li－PI和Mg－PI系統(tǒng)的量子化學(xué)（QC）計(jì)算獲得的還原電位和相應(yīng)的絡(luò)合物

（b）應(yīng)用MBBs為50個(gè)LED燈泡供電

【小結(jié)】

該工作有機(jī)聚合物解決了使用無機(jī)結(jié)晶正極材料的多價(jià)電池化學(xué)品的嚴(yán)重動(dòng)力學(xué)和成本問題。目前的工作為設(shè)計(jì)高功率和長(zhǎng)循環(huán)壽命的多價(jià)可充電電池提供了新的機(jī)會(huì)。