Molecular Engineering Design for High-Performance Aqueous Zinc-Organic Battery

水溶液 电池(电) 分子工程 材料科学 化学 纳米技术 有机化学 量子力学 物理 工程类 功率(物理)
作者
Tianjiang Sun,Weijia Zhang,Qingshun Nian,Zhanliang Tao
出处
期刊:Nano-micro Letters [Springer Science+Business Media]
卷期号:15 (1) 被引量:51
标识
DOI:10.1007/s40820-022-01009-x
摘要

Novel small sulfur heterocyclic quinones (6a,16a-dihydrobenzo[b]naphtho[2',3':5,6][1,4]dithiino[2,3-i]thianthrene-5,7,9,14,16,18-hexaone (4S6Q) and benzo[b]naphtho[2',3':5,6][1,4]dithiino[2,3-i]thianthrene-5,9,14,18-tetraone (4S4Q)) are developed by molecule structural design method and as cathode for aqueous zinc-organic batteries. The conjugated thioether (-S-) bonds as connected units not only improve the conductivity of compounds but also inhibit their dissolution by both extended π-conjugated plane and constructed flexible molecular skeleton. Hence, the Zn//4S6Q and Zn//4S4Q batteries exhibit satisfactory electrochemical performance based on 3.5 mol L-1 (M) Zn(ClO4)2 electrolyte. For instance, the Zn//4S6Q battery obtains 240 and 208.6 mAh g-1 of discharge capacity at 150 mA g-1 and 30 A g-1, respectively. The excellent rate capability is ascribed to the fast reaction kinetics. This system displays a superlong life of 20,000 cycles with no capacity fading at 3 A g-1. Additionally, the H+-storage mechanism of the 4S6Q compound is demonstrated by ex situ analyses and density functional theory calculations. Impressively, the battery can normally work at - 60 °C benefiting from the anti-freezing electrolyte and maintain a high discharge capacity of 201.7 mAh g-1, which is 86.2% of discharge capacity at 25 °C. The cutting-edge electrochemical performances of these novel compounds make them alternative electrode materials for Zn-organic batteries.
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