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π-Conjugated N-heterocyclic compound with redox-active quinone and pyrazine moieties as a high-capacity organic cathode for aqueous zinc-ion batteries

阴极 水溶液 电化学 材料科学 氧化还原 吡嗪 化学工程 共轭体系 无机化学 化学 电极 有机化学 聚合物 物理化学 复合材料 冶金 工程类
作者
Yanjun Shi,Pengcheng Wang,Haiguang Gao,Wei Jin,Yanli Chen,Yucheng Huang,Tai-Rui Wu,De‐Yin Wu,Juan Xu,Jianyu Cao
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:461: 141850-141850 被引量:55
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.141850
摘要

Organic cathode materials have been widely used for aqueous zinc-ion batteries (ZIBs) due to their designable molecular structures and diverse redox groups. However, there are still many challenges that need to be overcome, such as limited specific capacity and utilization, inadequate electrical conductivity, unsatisfactory cycle durability and unclear charge storage mechanism. Herein, we report a π-conjugated N-heterocyclic compound containing dual-redox active groups (i.e. quinone and pyrazine), benzo[b]phenazine-6,11-dione (BPD), which are employed as a cathode material in aqueous ZIBs. The BPD cathode shows a high capacity of up to 429 mAh g−1 at 0.05 A g−1, 100 % capacity utilization and excellent cycling performance upon 10,000 cycles. The aqueous ZIB full cell with the BPD cathode delivers an energy density of 276 Wh kg−1, higher than the most previously reported organic cathode materials. Moreover, ex-situ characterizations, electrochemical experiments, and theoretical calculations, clearly illustrate that H+ and Zn2+ are co-inserted during the charge/discharge process. The high utilization and stability of BPD cathode is due to the high insolubility of both BPD and its discharge products. This work provides a reasonable strategy and unique perspective for the design and synthesis of novel high-performance organic cathode materials for aqueous ZIBs.
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