High-Performance Bipolar Small-Molecule Organic Cathode for Wide-Temperature-Range Aqueous Zinc-Ion Batteries

材料科学 水溶液 阴极 大气温度范围 有机分子 小分子 离子 分子 航程(航空) 无机化学 化学 有机化学 物理化学 复合材料 冶金 生物化学 物理 气象学
作者
Hua Kang,Quanwei Ma,Yangyang Liu,Peng Xiong,Rui Wang,Libei Yuan,Junnan Hao,Longhai Zhang,Chaofeng Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c00833
摘要

Organic small-molecules with redox activity are promising cathode candidates for aqueous zinc-ion batteries (AZIBs) due to their low cost, high safety and high theoretical capacity. However, their severe dissolution leads to unsatisfactory electrochemical performance. Here, a dihydro-octaaza-pentacene (DOP) compound is synthesized as a cathode for AZIBs by extending its N heterocyclic molecular structure. The extended N heterocyclic structure provides dual active sites of n-type (C═N) and p-type (-NH-) redox reactions while reducing dissolution through enhanced π-conjugation. Hence, the Zn//DOP battery demonstrates improved performance, e.g., an enhanced capacity of 360 mAh g-1 at 0.05 A g-1. Even under extended temperature conditions of - 50 and 50 °C, the batteries still maintain the capacities of 172 and 312 mAh g-1, respectively. In/ex-situ spectroscopy provide a thorough understanding of the storage mechanisms of cations and anions (Zn2+/H+ and ClO4-) through multielectron transfer process occurring at dual electroactive sites. This strategy offers a promising approach to designing high-performance zinc-organic batteries for sustainable energy storage.
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