吉大晁单明/贾晓腾Adv. Sci.：具有优异电化学性能的全聚合物水系质子电池

由氧化还原活性聚合物电极组成的水系全聚合物质子电池(APPBs)被认为是安全和清洁的可再生能源存储来源。然而，APPBs在承受高电流倍率的同时，在水系电解液的狭窄电化学窗口内最大化高电池输出电压仍然存在巨大挑战。

吉林大学晁单明、贾晓腾等采用邻苯二酚基正极和醌基聚氨酯（PUQ）负极开发了一种具有优异电化学性能的全聚合物水系质子电池。

图1 全聚合物质子电池的聚合物电极和氧化还原反应示意图

通过将仿生氧化还原活性邻苯二酚悬垂物引入聚（3,4-乙撑二氧噻吩）（PEDOT）骨架，可以实现高氧化还原电位（0.60 V vs Ag/AgCl）正极，这归因于显著的电子离域。氧化还原悬垂物和共轭骨架的电子云分离有利于赝电容电荷存储，从而实现优异的倍率性能。此外，具有硬段和软段的扩散型醌基聚合物负极可以增加过电位并减少体积变化引起的电极破裂，从而提高循环稳定性。

图2 聚合物电极在不同充电/放电状态下的结构表征

因此，与扩散型醌基聚合物负极相结合，APPBs可提供0.72 V的高电池电压、出色的倍率性能（从0.5到25 A g^-1的容量保持率为64.8%）和循环稳定性（在2 A g^-1下循环1000次后容量保持率超过80%），优于最先进的有机质子全电池。

此外，DFT计算和非原位结构表征可加深对醌基聚合物电极中质子存储机制的理解。这些结果突出了合理设计用于可持续储能系统的高性能聚合物电极的可行性。

图3 水系全聚合物质子电池的性能

Bioinspired Catechol-Grafting PEDOT Cathode for an All-Polymer Aqueous Proton Battery with High Voltage and Outstanding Rate Capacity. Advanced Science 2021. DOI: 10.1002/advs.202103896

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