“可持续醌电极的高容量水系锌二次电池”研究方面获突破

随着太阳能、风能等可再生能源在能源结构调整与能源分配中所占的比例不断提高，开发低成本、高性能的可充电储能电池对于解决间歇性可再生能源的能量输出至关重要。近日，南开大学化学学院陈军院士团队在“可持续醌电极的高容量水系锌二次电池”研究方面获得突破，该工作首次系统研究了醌类电极材料在水系锌电池中的应用，该材料具有廉价、容易制备、循环稳定性高、能量密度高、安全可靠等优点，为电动汽车、规模储能等重大应用提供了新选择。相关成果发表于美国科学促进会杂志《科学进展》(Science Advances)。陈军院士为通讯作者。

与无机电极材料相比，有机电极材料包含碳、氢、氧等廉价丰富元素，具有轻质、环保、可设计合成制备等突出优点，在电化学储能领域极具吸引力。特别是醌类化合物，他们在自然界中无处不在，研究人员从植物、真菌、海洋动物和昆虫中发现了超过2400种的醌类。这些醌类在药物和生物电子/离子转移等领域发挥着重要作用，在动物和人体内，醌类材料辅酶被认为是细胞呼吸和代谢的“激活剂”。

水系Zn-C4Q 电池电化学性能优化

目前，电活性醌电极一般使用有机电解质，根据相似相容原理，醌类化合物易溶解于有机溶剂，带来活性物质损失和电池寿命短等难题。研究人员利用电解质改性、聚合、盐化、负载等方法，提高了醌类的容量保持率。另一方面，醌电极水溶性低，将其应用于水系电池是一个很好选择。水系电解质还具有成本低、操作简单、环境友好、安全性高等突出优点。锌价格低廉、理论高容量高达820毫安时每克，具有良好的水兼容性和稳定性，适合规模应用，因此可充电水系锌电池发展潜力巨大，然而可充水系锌电池发展受制于正极材料选择种类少、锌脱嵌动力学慢等难题。发展基于非脱嵌反应机制和多电子转移的新型有机醌类电极材料有望提升锌电池容量和循环稳定性，具有重要意义。

南开大学陈军院士团队多年来一直致力于有机醌类电极材料的设计、制备和应用，近日，他们通过合理结构设计将醌类化合物应用于可充水系锌电池。通过对比研究系列醌类化合物，团队发现，具有4个对苯醌结构单元和8个羰基的杯醌类正极材料，能够获得335毫安时每克的比容量，充放电平台电压差低至70mV，能量效率高达93 %，容量远超目前报道的大部分正极材料，并且循环1000次之后，容量保持率为87%，循环稳定性可与无机电极材料媲美。

醌电极红外光谱表征

同时，团队研究人员创新性使用静电势计算方法结合原位红外、拉曼和紫外可见光谱等实验手段，研究推演了有机醌类材料在电池反过程中的活性位点以及结构变化，阐明了锌与柱[4]醌的结合发生在碗状柱[4]醌分子上方的两个羰基和底部的四个羰基上，拓展了电化学理论与实验结合新方法。该团队进一步构建了有机水系锌全电池，基于醌正极材料和理论上使用的最低锌负极质量进行计算，能够提供220瓦时每公斤的能量密度，远超目前使用的水系铅酸电池，也与目前商化化的锂离子电池相当。