Angew用于超快锂和多价金属电池的通用有机正极

【引言】

自1991年第一次商业化以来，由于其高能量密度，锂离子电池（LIBs）一直主导着当前的能源储存格局。然而，众多安全事件，有限的资源供应（锂，钴）和高成本似乎限制了汽车市场和固定储能系统的大规模利用。将可再生能源（如太阳能和风能）产生的间歇性发电集成到电网中的需求日益增加，这需要对环境友善／安全，具有成本效益且循环寿命长的锂离子电池。在锂离子电池以外的电池化学中，镁金属电池（MMBs）和铝金属电池（AMBs）有望用于大规模能量存储，因为镁和铝金属不仅丰富且安全，而且还通过多电子氧化还原赋予能量。 然而，它们的商业化受到正极功率密度和循环寿命较差的困扰。

【成果简介】

近日，马里兰大学王春生（通讯作者）团队报道了一种通用聚酰亚胺＠CNT（PI＠CNT）正极，可以以极快的速度可逆地存储不同价态的各种阳离子（Li＋，Mg2＋，Al3＋）。团队系统研究了PI＠CNT的离子配位电荷储存机制。使用PI＠CNT正极和相应金属负极的全电池具有较长的循环寿命（＞ 10000次循环），快速动力学（＞ 20°C）和宽工作温度范围（－40°C至50°C），使聚酰亚胺将成为不同多价金属电池的通用正极。稳定的离子协调机制为开发高能量和高功率的多价电池打开了新的思路。相关成果以题为“A Universal Organic Cathode for Ultrafast Li‐ and Multivalent Metal Batteries”发表在了Angew上。

【图文导读】

图1 合成示意图

（a）PI＠CNT合成的示意图

（b）合成的PI＠CNT的FTIR光谱

（c－f）PI／CNT复合材料的TEM图像（c，d，e）和HRTEM图像（f）

图2 动力学和定量机理分析

（a）使用峰值电流和扫描速率之间的关系确定b值

（b－d）对于不同价电池：（b）LIBs； （c）MMBs； （d）AMBs，电容（红色区域）和扩散控制对于PI／CNT复合材料的电荷储存的贡献

图3 性能评价

（a）从Li－PI和Mg－PI系统的量子化学（QC）计算获得的还原电位和相应的络合物

（b）应用MBBs为50个LED灯泡供电

【小结】

该工作有机聚合物解决了使用无机结晶正极材料的多价电池化学品的严重动力学和成本问题。目前的工作为设计高功率和长循环寿命的多价可充电电池提供了新的机会。