由于聚合物的穩定結構，使用聚合物正極材料的可充電水系鋅離子電池（AZIBs）通常表現出優異的循環穩定性。然而，它們的進一步發展受到相對較低的產能的限制。在此，本工作主要設計了在二維方向上具有豐富的亞氨基活性位點的石墨烯-共軛微孔聚合物復合材料G-Aza-CMP，，具有超高理論容量 (602 mAh g
-1 ) 用于 AZIBs。石墨烯的引入使Aza-CMP暴露出更多的活性位點與H
+ /Zn
2+配位，甚至促進了H
+的儲存以獲得更快的動力學，并賦予了G-Aza-CMP//Zn電池的氧化還原能力贗電容機制。因此，使用 G-Aza-CMP 作為陰極的 AZIBs 在 0.05 A g
-1下表現出 456 mAh g
-1 的非凡比容量，以及在 10 A g
-1下 9700 次循環后具有出色的循環穩定性和 91.2% 的容量保持率。該研究為AZIBs高容量聚合物正極材料的電荷存儲機制和設計提供了新的見解。
Figure 1. (a) 具有2M ZnSO
4電解質的水系 G-Aza-CMP//Zn 電池系統中H
+ /Zn
2+存儲機制的示意圖。(b) Aza-CMP 和 G-Aza-CMP 的合成路線。
Figure 2. Aza-CMP 和 G-Aza-CMP 材料的表征。(a) Aza-CMP 的 HR-TEM 圖像。(b) N
2吸附-解吸等溫線和插圖顯示了Aza-CMP 的孔徑分布。(c) G-Aza-CMP、Aza-CMP 和rGO的 FT-IR 光譜。(d) G-Aza-CMP、Aza-CMP 和 rGO 的TGA曲線。(e) G-Aza-CMP、Aza-CMP 和 rGO 的XRD 圖譜。(f) G-Aza-CMP 的 SEM 圖像。(g) G-Aza-CMP 的TEM圖像。(h) rGO 的插圖顯示了更多的 Aza-CMP 活性位點，并比較了 H
+/Zn
2+的插入率。
Figure 3. G-Aza-CMP電極在2M ZnSO
4電解液中的電化學性能。(a) G-Aza-CMP電極在0.05 A g
-1電流密度下的GCD曲線。(b) G-Aza-CMP與已經報道的聚合物電極材料其理論容量和實際放電容量對比圖。包括 HqTp、PA-COF、HAQ-COF、M-PTPA、PDBS、PANI、PBQS、PDA、PTVE、PPy、POLA。(c) G-Aza-CMP 和 Aza-CMP 電極的倍率性能,在 0.1-10.0 A g
-1的電流范圍內測量。(d) G-Aza-CMP 電極與先前報道的 n 型有機電極材料的倍率性能比較。(e) G-Aza-CMP電極在0.2 mV s
-1的掃描速率下測試的CV曲線. G-Aza-CMP 和 Aza-CMP 電極在 (f) 0.1 A g
-1和 (g) 10.0 A g
-1的電流密度下的循環穩定性。(h) G-Aza-CMP 電極與 Aza-CMP 電極的EIS比較。
Figure 4. 通過（放電）過程中的各種異位表征研究 G-Aza-CMP 電極中的H
+ /Zn
2+存儲機制。（a）G-Aza-CMP在充放電過程中與Zn
2+/H
+配位結合示意圖。（b）Aza-CMP的ESP圖。（c）選取G-Aza-CMP在不同充放電時的狀態。（d）不同充放電狀態下G-Aza-CMP的FT-IR圖。（e）不同充放電狀態下G-Aza-CMP的XPS圖。（f）不同充放電狀態下G-Aza-CMP的XRD圖。（g）不同充放電狀下G-Aza-CMP的SEM圖和元素分析。
Figure 5. 通過各種電化學測試研究 G-Aza-CMP 電極中的電荷存儲機制。(a) 在三電極系統中以 0.5 mV s
-1測試的 CV 曲線。(b) 在H
2SO
4 (pH=4) 或2M ZnSO
4 (pH=4)的三電極系統中測試的電流密度為0.05 A g
-1的G-Aza-CMP電極的放電曲線為電解質。(c) 在 0.5 mV s
-1的 Zn//G-Aza-CMP 水溶液電池系統中測試的 CV 曲線。(d) 在0.05 A g
-1的電流密度下在不同電解質體系中測試的放電曲線。
Figure 6. 通過各種電化學測試研究 G-Aza-CMP 電極中的電荷存儲動力學。(a) Aza-CMP 電極在不同 pH 值的 2M ZnSO
4電解液中的EIS比較。(b) 在從 0.1 到 2.0 mV s
-1的各種掃描速率下測試的 CV 曲線。(c)在從不同掃描速率下的CV曲線獲得的特定峰值電流處log(峰值電流，mA)與log(掃描速率，mV s
-1 )的線性關系。(d) 不同掃描速率下的電容控制和擴散控制容量貢獻。(e) 2.0 mV s
-1的電容控制容量貢獻. (f) 恒電流間歇滴定技術 (GITT) 曲線和G-Aza-CMP 和 Aza-CMP 在 0.03 A g
-1下計算的離子擴散系數的比較。
Figure 7. G-Aza-CMP與不同數目的H
+/Zn
2+結合的吉布斯自由能模擬分析。
相關研究工作由復旦大學Mingxin Ye和Jianfeng Shen課題組于2022年在線發表于《Energy Storage Materials》期刊上。原文; High capacity and long-life aqueous zinc-ion battery enabled by improving active sites utilization and protons insertion in polymer cathode。
轉自《石墨烯研究》公眾號
