【电池】长春应化所宋术岩Angew. 双极性自聚合酞菁配合物提升双离子电池的快充特性

成果简介

双极性氧化还原有机物作为储能电极材料以其灵活性、可持续性和环保性吸引了人们的兴趣。然而，双极性氧化还原有机物在全有机电池中的应用还处于起步阶段。

最近，中科院长春应化所宋术岩课题组提出了一种筛选双极性多种酞菁有机物的策略。自聚合双极性四胺酞菁铜(CuTAPc)在诸多储能系统中具有多样应用包括以CuTAPc为正极极材料的锂基双离子电池、以CuTAPc为负极材料的石墨基双离子电池以及以CuTAPc为正负极材料的对称双离子电池。

值得注意的是，在锂基双离子电池中，使用CuTAPc作为正极材料，在50 mA g-1下放电容量为236 mA h g-1，在4 A g-1下4000次循环后可逆容量仍为74.3 mA h g-1。更重要的是，在所有有机对称双离子电池中可以获得239 Wh kg-1的高能量密度和11.5 kW kg-1的功率密度。

图文速览

图1a为CuTAPc两电子的氧化还原过程， 18个π电子酞菁可以被氧化成二价体（+2个电荷态，16个π电子）或者还原成二价体（-2个电荷态，20个π电子）。图1b为使用双极性酞菁材料的电池装置示意图，CuTAPc既可以作为锂基双离子电池正极材料(cell 1)还可以作为锂离子电池负极材料(cell 2)，也可以与石墨一起组装成石墨基双离子电池或对称双离子电池。

为了筛选高性能的酞菁基电极材料，作者设计合成了两类具有不同中心金属离子的酞菁衍生物，如无、铜、铁或钴以及不同取代基，如无、-NO2、-NH2、-OH或-N=C-Ph（图2a）。图2b为CuTAPc和PF6–之间的强相互作用。此外，DFT还用于计算CuTAPc二聚体的HOMO/LOMO能级（图2c）。与CuTAPc单体相比，CuTAPc二聚体的LOMO能级降低，HOMO能级增加。较小的LOMO-HOMO间隙表明电子传导增加。

图3a为CuTAPc的循环伏安曲线，可以看到在第一次正扫过程中，在3.6 V下可观察到明显的不可逆氧化峰。在第一次正扫后，高可逆的CV曲线仍然存在。这些结果与在三电极体系中观察到的不可逆特性一致，进一步证实了CuTAPc的自聚合特性。图3b-e为CuTAPc的电化学性能，可以看到CuTAPc作为正极具有优异的电化学性能。图3f-h为动力学特征分析，经过计算可以得出该过程为电容控制。

更进一步，作者为了考察CuTAPc的双极性特征，组装了对称双离子电池。图4a为循环伏安曲线，测试表明未有明显的电压平台，为氧化（p-掺杂）和还原（n-掺杂）状态下的快速多重氧化还原反应。图4b典型的充/放电曲线显示了宽的工作电压窗口。图4c-d表明该对称双离子电池具有优异的电化学性能以及较高的功率和能量密度。

全文总结

综上所述，作者首次证实了CuTAPc具有双极性和自聚合特性，使其可以用作双离子电池电极材料包括全有机对称的双离子电池。结合锂对电极，CuTAPc可作为高性能的正极材料或负极材料。更重要的是，结合石墨或其本身，CuTAPc可以组装成不对称和对称的全电池。这项研究工作可以为构建有机储能系统开辟新的途径。

文献信息

A Bipolar and Self-Polymerized Phthalocyanine Complex for Fast and Tunable Energy Storage in Dual-Ion Batteries.（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, DOI: 10.1002/anie.201904242）

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201904242