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上海交通大学Angew：吩噁嗪基聚合物正极助力50000次超长循环寿命的铝离子电池

时间：2023-01-11 来源：浏览：

上海交通大学Angew：吩噁嗪基聚合物正极助力50000次超长循环寿命的铝离子电池

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【研究背景】

发展大规模储能技术对保障国家能源安全和实现碳达峰碳中和具有重要意义。铝离子电池因铝负极具有比容量高、安全性好、地壳中储量丰富和成本低等优势有望用作大规模储能。然而，铝离子电池无机正极材料在循环过程仍然存在动力学迟缓以及结构坍塌的问题，导致循环稳定性等难以满足大规模储能要求。相比之下，有机正极独特的配位反应机制、柔性的分子结构以及可持续的元素组成等优点使其成为很有前景的一类铝离子电池正极材料。

目前报道的铝离子电池有机正极主要是各类羰基化合物，低的放电电压和严重的溶解问题制约了其进一步应用。而p型有机正极虽然表现出比较高的电压，但往往活性位点占比比较低，从而降低了其放电容量。因此。为了进一步推动有机铝离子电池的发展，需要开发多活性官能团的p型有机正极，以实现高能量密度和长循环寿命的目标。

【工作介绍】

近日，上海交通大学付超鹏教授团队与湖南文理学院黄小兵教授等通过一步亲核取代反应成功制备了不溶于离子液体电解液，结构稳定，且具有多活性位点的吩噁嗪基聚合物（PVBPX），其作为铝离子电池正极表现出超过50000次的超长稳定寿命。该文章发表在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition。

【内容表述】

吩噁嗪基聚合物结构上的优势使其在铝离子电池的应用中具有优异的电化学性能。首先，由于PVBPX中存在N、O双活性位点，使其在0.2 A g ^-1 的电流密度下有133 mAh g ^-1 的放电容量。而即使在5 A g ^-1 的大电流密度下，PVBPX仍具有88 mAh g ^-1 的放电容量，这与其长程的π共轭体系、柔性的非晶态结构以及阴离子氧化还原过程快的反应动力学有关。此外，吩噁嗪单元接枝到聚合物上，可以解决其在电解液中溶解导致容量逐渐损失的问题。因此，基于PVBPX正极的铝离子电池具有超过50000圈的超长循环寿命，这得益于吩噁嗪基聚合物在离子液体电解液中的不溶性以及其扩展共轭结构和可逆阴离子氧化还原化学没有键重排等。

此外，通过多种非原位表征技术和DFT理论计算相结合，证明了PVBPX中N和O是作为双活性位点，在充电过程中依次与[AlCl ₄ ^- ]相结合。而在随后的放电过程中[AlCl ₄ ^- ]从PVBPX分子上可逆地解离。

本研究工作表明基于p型有机聚合物的铝离子电池有望实现大规模储能。

Figure 1: PVBPX的制备和表征。

Figure 2: 基于PVPBX正极的铝离子电池充放电性能。

Figure 3: PVPBX正极的动力学分析。

Figure 4: PVPBX正极的充放电机理表征和分析。

Figure 5: PVPBX正极的DFT分析模拟。

Zhaohui Yang, Xiaobing Huang, Pengyu Meng, Min Jiang, Yibo Wang, Zhenpeng Yao, Jiao Zhang, Baode Sun, Chaopeng Fu*, Phenoxazine Polymer-based p-type Positive Electrode for Aluminum-ion Batteries with Ultra-long Cycle Life， Angewandte Chemie International Edition, DOI:10.1002/anie.202216797

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