基于離子液體電解液的高性能有機醌類鈉電池

時間:2019-03-27 15:08來源:南開大學 作者:綜合報道
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       近日,南開大學程方益課題組報道了離子液體在有機醌類鈉電池中的應(yīng)用,成果發(fā)表在Chem上(Chem 2019,5,364-375)。
 
       與無機電極材料相比,有機醌類電極材料主要由C、H、O、N等高豐度輕質(zhì)元素組成,具有理論比容量高、分子結(jié)構(gòu)可設(shè)計性強和環(huán)境友好等突出優(yōu)點,在新能源領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。然而,由于相似相溶,醌類化合物易溶于常規(guī)的酯類和醚類有機電解液,導致活性物質(zhì)量損失,容量衰減嚴重,制約了實際性能。碳包覆、聚合等多種策略被相繼報道,在一定程度上可以有效抑制電極材料溶解,獲得較好的循環(huán)性能。然而,這些方法通常制備過程繁瑣,在活性材料中引入高比例非活性成分,犧牲了材料的高容量。如何在保持醌類材料容量優(yōu)勢的同時,解決溶解問題是一項重要且具挑戰(zhàn)性的課題。
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       為此,本文提出一種采用離子液體基電解液抑制醌類溶解的策略。通過系統(tǒng)考察3種陽離子(N-丙基-N-甲基吡咯烷[PY13] 、N-丁基-N-甲基吡咯烷[PY14] 、N-丙基-N-甲基哌啶烷[PP13] )和2種陰離子(雙(三氟甲烷磺酰)亞胺鹽[TFSI]-和雙氟磺酰亞胺鹽[FSI]-)組成的6種離子液體(IL)對有機醌類化合物溶解性的影響,并結(jié)合DFT計算,發(fā)現(xiàn)當離子液體與醌類化合物的極性差異大、給電子對能力低、結(jié)合能小時,抑制醌類材料溶解效果最佳。作者進一步優(yōu)化了0.3 M Na[TFSI]/[PY13][TFSI]電解液,以杯[4]醌(C4Q)為正極,金屬鈉為負極,構(gòu)建了有機鈉醌電池,醌類放電容量和能量密度分別超過400mAh/g和800Wh/kg,顯著優(yōu)于在醚基電解液,并且可實現(xiàn)較大倍率下的穩(wěn)定循環(huán)。此外,作者還驗證了[PY13][TFSI]對抑制多種醌類電極材料(包括苯醌、聯(lián)苯醌、蒽醌、萘醌、菲醌等)溶解問題的普適性。該工作闡明了離子液體基電解液抑制醌類材料溶解的機制,為提升醌類材料的電極性能、構(gòu)建新型有機鈉電池提供了新思路。
 
(責任編輯:子蕊)
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