Carbonyl-Enhanced Small-Molecule Cathodes Enable Ultrahigh-Rate Aqueous Zinc-Ion Batteries

阴极 材料科学 电化学 有机自由基电池 电解质 溶解 电池(电) 纳米技术 水溶液 化学工程 电子转移 密度泛函理论 电流密度 电极 储能 共轭体系 分子工程 表征(材料科学) 容量损失
作者
Keguang Xu,Hong Ding,Mingzhu Zhao,Xinyu Gao,Yongwen Wang,Chenxiao Liu,Ruonan Pan,Qin Gong,Feng Han,Shaofei Li,Gang Wang,Tiantian Gu
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:13 (45): 19698-19708
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.5c07747
摘要

Organic cathode materials continue to attract significant research interest in aqueous zinc-ion batteries (AZIBs) owing to their eco-friendliness and molecular design flexibility. However, these advantages are counterbalanced by inadequate cycling stability, unsatisfactory rate capability, and compromised low-temperature tolerance, with these limitations being particularly acute in small organic molecules. This work reports an organic small molecule, the conjugated quinone derivative benzo[g]indeno[1,2-b]quinoxaline-6,11,13-trione (BIQT), developed through strategic heteroatomic substitution as a high-performance cathode material for AZIBs. The molecular design simultaneously enhances structural stability and promotes extended electron delocalization, effectively mitigating electrolyte dissolution while facilitating accelerated charge transfer kinetics. These properties endow Zn//BIQT batteries with exceptional electrochemical performance, delivering a high specific capacity of 383.9 mAh g–1 at 0.1 A g–1, sustaining 85.0 mAh g–1 under an ultrahigh current density of 60 A g–1, maintaining extended cycling stability over 10,000 cycles, and operating reliably at −20 °C with a 280.1 mAh g–1 capacity. Combined density functional theory (DFT) calculations and electrochemical characterization reveal that the capacity of BIQT originates from Zn2+/H+ cointercalation storage behavior involving a five-electron transfer process. This molecular architecture demonstrates a viable design strategy for high-performance organic cathodes in advanced AZIBs.
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