陶占良Nano-Micro Letters：高性能水系有机锌电池的分子工程设计

与商用锂离子电池相比，水系锌离子电池（AZIBs）由于具有许多优点，在大规模储能装置方面拥有巨大的潜力。然而，由于缺乏坚固的正极材料，AZIBs的能量密度和循环寿命受到进一步限制。

图1. 材料制备及表征

南开大学陶占良等通过分子结构设计方法成功地合成了新型的小型有机材料，即4S6Q和4S4Q。具体而言，考虑到苯醌（BQ）和萘醌（NQ）的理论比容量较高，但溶解度大，导电性差，这项工作引入共轭硫醚（-S-）键将其连接（两个NQ和一个BQ通过共轭硫醚键连接，即4S6Q；两个NQ和一个苯通过共轭硫醚键连接，即4S4Q），可显著改善其离子导电性。

更重要的是，4S6Q和4S4Q灵活的分子骨架赋予了它们对离子吸收/移除的强大承受力。因此，4S6Q和4S4Q显示出低溶解度和良好的电化学稳定性。

图2. 常温电化学性能

因此，基于3.5 M Zn(ClO4)₂电解液的Zn//4S6Q电池在150 mA g^-1时表现出240 mAh g^-1的高放电容量，并且在3 A g^-1时循环20000次后没有容量衰减，具有卓越的循环寿命。即使在30 A g^-1的高电流密度下也能达到208.6 mAh g^-1的放电容量。全面的特征分析确定了羰基的强大氧化还原活性，并揭示了4S6Q材料的H⁺存储机制。

更令人印象深刻的是，这种电池可以在-60℃下稳定运行，并且在3 A g^-1的条件下循环10,000次后容量没有下降。总体而言，这项工作证明了设计坚固的小型有机材料的途径，并扩展了AZIBs在低温条件下的应用。

图3. Zn/4S6Q的低温电化学性能

Molecular Engineering Design for High-Performance Aqueous Zinc-Organic Battery. Nano-Micro Letters 2023. DOI: 10.1007/s40820-022-01009-x

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陶占良Nano-Micro Letters：高性能水系有机锌电池的分子工程设计

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