5000次循环锌电池！支春义教授最新JACS！

第一作者：Huilin Cui

通讯作者：支春义，梁国进

通讯单位：香港城市大学，中国科学院深圳先进技术研究院

论文速览

本论文探讨了醌基电极材料在水系储能中的应用前景，尤其是其高理论比容量和高倍率性能。研究团队发现，质子的存储方式及其对醌电极电化学性能的影响尚未明确。

通过深入研究，揭示了质子存储可以决定烯醇转化的产物以及有机电极的电化学稳定性。特别是，质子倾向于与原型芘-4,5,9,10-四酮（PTO）阴极配位，通过调节电解液中的质子浓度，可以改善其工作电位和循环稳定性。

此外，使用硫酸铝作为pH缓冲剂，可以将Zn||PTO电池的能量密度从242.8提高到284.6 Wh kg⁻¹。本研究强调了基于烯醇转化反应的有机电极的质子存储，并提高了它们的电化学性能。

图文导读

图1：PTO电极在电解液中可能与有机羰基配位的离子，以及使用2 M ZnSO₄电解液对PTO阴极进行离子存储行为的研究。

图2：PTO电极在缓冲电解液中的Pourbaix图（电位与pH值），以及不同质子浓度下PTO的电位、容量统计图和恒流充放电曲线。

图3：PTO电极在2 + 0和2 + 2电解液中的循环伏安曲线、恒流充放电曲线、倍率性能和循环性能。

图4：PTO在2 + 2电解液中的反应机理。

图5：Zn||PTO全电池在2 + 0和2 + 2电解液中的电化学性能。

总结展望

本研究通过电化学表征和EQCM-D测试，清晰地展示了PTO阴极中质子和Zn²⁺的配位行为，并揭示了质子存储对电化学性能的影响。电解液中高浓度质子的引入，通过推动PTO烯醇转化反应，形成更稳定的PTOH₄结构，从而实现了更高的电位、更好的倍率性能和循环稳定性。

通过使用Al₂(SO₄)₃作为电解液pH缓冲剂，不仅稳定了质子浓度，还有效防止了Zn阳极的析氢、枝晶生长和其他副反应。优化后的Zn||PTO电池在5000个循环后仍能保持93%的容量，且每循环的容量衰减率低至0.0013%，并提供了284.6 Wh kg⁻¹的能量密度。结合对有机电极存储机制的进一步阐明，这项工作为提升有机电极材料的性能提供了指导。

文献信息

标题：Regulating Protons to Tailor the Enol Conversion of Quinone for High-Performance Aqueous Zinc Batteries

期刊：Journal of the American Chemical Society

DOI：10.1021/jacs.4c03223

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