具有準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的柔性Zn||TAP/Ti3C2Tx電池在可穿戴電子的應(yīng)用

研究背景

有機(jī)材料由于其軟晶格、可調(diào)結(jié)構(gòu)和固有延展性的優(yōu)點(diǎn)而在EES領(lǐng)域脫穎而出。有機(jī)正極可以通過(guò)n型或p型反應(yīng)儲(chǔ)存電荷。同時(shí)，具有氧化還原官能團(tuán)的n型有機(jī)材料通過(guò)Zn2+離子與活性中心之間的配位反應(yīng)能夠可逆地儲(chǔ)存Zn2+，避免了無(wú)機(jī)正極之間普遍存在的結(jié)構(gòu)塌陷。迄今為止，羰基和亞胺化合物(例如，杯醌，芘-4,5,9,10-四酮(PTO)，二喹喔啉[2,3-a:2′，3′-c]吩嗪(HATN)，和HATN-2,8,14-三碳腈(HATN-3CN))已經(jīng)成為具有代表性的n型有機(jī)正極，并在水性ZIBs中實(shí)現(xiàn)了令人難忘的Zn2+儲(chǔ)存性能。但它們?nèi)源嬖趯?dǎo)電能力不足，在水系電解質(zhì)中易溶解的缺點(diǎn)。具有擴(kuò)展共軛碳氮骨架的三氮雜并五苯(C42N12H18，TAP)是一種潛在的選擇，具有顯著的催化性能，但其儲(chǔ)能行為尚未公開。此外，將有機(jī)分子嫁接到導(dǎo)電支架上，可有效增強(qiáng)電子轉(zhuǎn)移，確保結(jié)構(gòu)完整，在導(dǎo)電支架的選擇中Ti3C2Tx表面積大，柔韌性強(qiáng)，是改善TAP導(dǎo)電性、活性表面和機(jī)械穩(wěn)定性的前沿材料。

文章簡(jiǎn)介

基于此，來(lái)自哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Xiaoxiao Huang教授課題組在國(guó)際頂級(jí)期刊Advanced Materials上發(fā)表題為“MXene-Boosted Imine Cathodes with Extended Conjugated Structure for Aqueous Zinc-Ion Batteries”的文章。

本文提出了一種沿碳氮骨架擴(kuò)展共軛效應(yīng)的亞胺基三(氮)并五苯(TAP)，將其原位注入層狀MXene中形成TAP/Ti3C2Tx正極。理論分析和電化學(xué)分析揭示了TAP中選擇性H+/Zn2+共插入/脫出的機(jī)理，這歸因于空間效應(yīng)對(duì)活性碳氮中心可用性的影響。此外，Ti3C2Tx作為導(dǎo)電支架材料，有利于Zn2+快速擴(kuò)散，促進(jìn)TAP的電極動(dòng)力學(xué)。在反復(fù)充放電過(guò)程中，TAP與Ti3C2Tx之間的密切電子相互作用保持了TAP/Ti3C2Tx的結(jié)構(gòu)完整性。相應(yīng)地，TAP/Ti3C2Tx正極在0.04 A g-1的水系ZIBs中提供了303 mAh g-1的高可逆容量，這也實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)壽命超過(guò)10000次循環(huán)，容量保持率為81.6%。此外，具有準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的柔性Zn||TAP/Ti3C2Tx電池在可穿戴電子器件中具有潛在的應(yīng)用前景。這項(xiàng)工作提供了關(guān)鍵的指導(dǎo)，以創(chuàng)造高度穩(wěn)定的有機(jī)電極先進(jìn)ZIBs。

特色要點(diǎn)

要點(diǎn)一：以Ti3C2Tx為導(dǎo)電骨架，采用一步水熱法在其層間生長(zhǎng)TAP，得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，導(dǎo)電性質(zhì)優(yōu)異的TAP/Ti3C2Tx復(fù)合材料用以存儲(chǔ)Zn2+

圖1. TAP和TAP/Ti3C2Tx正極的理論模擬

圖2. 制備TAP/Ti3C2Tx的示意圖

圖3. TAP/Ti3C2Tx的合成與表征

要點(diǎn)二：TAP/Ti3C2Tx正極具有高的Zn2+擴(kuò)散系數(shù)，低的電荷轉(zhuǎn)移阻抗，顯示出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性

圖4. TAP和TAP/Ti3C2Tx正極的電化學(xué)性能

要點(diǎn)三：柔性準(zhǔn)固態(tài)Zn||TAP/Ti3C2Tx電池體現(xiàn)了TAP/Ti3C2Tx電池的實(shí)際應(yīng)用，它可以承受各種惡劣的條件，包括鉆孔、彎曲、切割和扭轉(zhuǎn)

圖5. TAP/Ti3C2Tx正極的儲(chǔ)能機(jī)理

圖6. 基于TAP/Ti3C2Tx正極的柔性ZIBs

總結(jié)

這項(xiàng)工作提供了一種拓展共軛亞胺骨架合成高性能有機(jī)正極的策略。制備了長(zhǎng)程共軛結(jié)構(gòu)的TAP作為水系ZIBs的新型有機(jī)正極，由于空間位阻效應(yīng)，TAP具有選擇性的H+/Zn2+儲(chǔ)存機(jī)制。為了進(jìn)一步提高TAP的電導(dǎo)率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，將Ti3C2Tx作為奇招引入TAP中，以提高TAP的電化學(xué)性能。因此，制備的TAP/Ti3C2Tx具有303 mAh g-1的高可逆容量，在1萬(wàn)個(gè)循環(huán)中具有顯著的循環(huán)穩(wěn)定性，容量保持率為81.6%。柔性準(zhǔn)固態(tài)Zn||TAP/Ti3C2Tx電池體現(xiàn)了TAP/Ti3C2Tx電池的實(shí)際應(yīng)用，它可以承受各種惡劣的條件，包括鉆孔、彎曲、切割和扭轉(zhuǎn)。因此，這項(xiàng)工作表明擴(kuò)展共軛結(jié)構(gòu)是合成新型亞胺基正極的可行策略，同時(shí)也為含有其他氧化還原中心的有機(jī)正極的發(fā)展提供了新的思路。

審核編輯：郭婷