王永刚课题组Adv.Mater：相邻分子的羰基与锌离子结合构筑长寿命的水系锌-有机物电池

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近年来，用于储能的水系锌电池引起了广泛的兴趣和关注，这得益于锌负极的诸多优势，比如，高比容量（820 mAh g-1）、合适的氧化还原电势（-0.762 V vs. SEH）、和在水溶液中安全性。近年来，含有羰基的有机物通过可逆的配位反应被用于储存Zn2+，基于有机物电极的电池引起了潜在人们的研究热情。但是，很多含有羰基的有机物和它们的还原产物在水系电解液中不稳定并且易溶解，由此产生的有机物活性材料在正负极间的穿梭使得电池的稳定性下降。另外，由于H+在水系电解液中的存在，H+可以同时或者在储存Zn2+之前和有机物的羰基反应，这可能导致有机物在电解液中的不稳定性和溶解，从而加剧电池循环寿命的衰减。到目前为止，有机电极中H+/Zn2+的共反应机理尚未见报道，因此，阐明H+/Zn2+在温和的水溶液电解液中共同和羰基反应的机制，对于寻找高稳定性的有机物正极材料来构建锌-有机物电池具有重要意义。
       近期，复旦大学王永刚教授团队提出了一种新的锌-有机物电池，其中，电解液是2 M ZnSO4，二苯并[b, i]噻吩醌- 5,7,12,14 -四酮（DTT）和锌箔分别作为电池的正极和负极。该电池的工作依赖于正极的配位反应和负极Zn的沉积/溶解，并伴随着Zn2+和H+在正负极间的转移。该电池具有210.9 mAh gDTT-1的高比容量和快速的电荷存储动力学响应。实验和计算结果表明，DTT可以同时存储Zn2+和H+。放电产物可能的结构是DTT2(H+)4(Zn2+)，其中两个相邻的DTT分子通过一个Zn2+结合，提高了该电极的稳定性。由于DTT固有的不溶性和放电产物分子稳定性的提高，DTT可作为锌-有机物电池的稳定的正极材料。当使用厚的隔膜以防止锌枝晶诱发电池短路时，DTT//Zn全电池可以循环超过23000次，这远远优于以往报道的水系锌电池。得益于水系电解液的高安全性和较长的使用寿命，他们预测这种电池在大规模储能方面具有潜在的应用价值。另外，他们还组装了柔性DTT//Zn带状电池，阐明了其作为可穿戴电子器件电源方面的应用潜力。

图1.（a）DTT//Zn 电池充放电机理示意图。（b）DTT//Zn电池在0.05 ~ 2 A g-1时的倍率性能。（c）能量密度及功率功率密度图。（d）DTT//Zn电池在2 A g-1时的长循环性能。（e）柔性电池DTT//Zn在0.1 A g-1时的充放电曲线。（f）柔性电池在0.5 A g-1时由平面弯曲至180o时的循环性能。
      该论文的第一作者是王艳荣博士后，复旦大学的王永刚教授为通讯作者。该工作得到了复旦大学化学系、先进材料实验室、国家自然科学基金、国家重点基础研究项目等的大力支持。
       全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000338
       文章来源：复旦大学
       王永刚  男，1979年1月生，复旦大学教授。2001年7月在新疆大学获学士学位。2004年7月在新疆大学获硕士学位。2007年7月毕业于复旦大学化学系，获理学博士学位，导师夏永姚教授。博士毕业论文获得上海市优秀博论文及全国优博论文提名奖。2007. 10 -2009. 10， 获得日本学术振兴会（JSPS）研究基金，在日本国立产业技术综合研究所 （AIST）从事锂离子电池的开发和研究。2009.10-2010.10 在AIST做特别研究员（博士后），从事新型锂-氧气电池的研究与开发。 2010年12月通过复旦大学人才引进计划重要岗位的资助，任化学系副研究员。已发明多种新型储能器件, 并根据不同器件的储能机理设计和合成了多种电极功能材料。部分研究成果已获得广泛的关注，并处于产业化研究和商业化市场开发阶段。在 Angew, Adv. 以及电化学专业杂志上共计表文章 40余篇。已发表文章共被引用1025次，被他人引用近900次， 申请专利十余项。