Reversible Multielectron Transfer Chemistry of I-Activated Voltage-Enhanced Ferrocene-Based Organic Cathodes

化学 二茂铁 阴极 光化学 电化学 化学工程 电极 物理化学 工程类
作者
Pei Li,Yichao Yan,Jiaxiong Zhu,Yiqiao Wang,Leyu Bi,Hong Hu,Xinru Yang,Yuwei Zhao,Qing Li,Shengnan Wang,Yue Hou,Alex K.‐Y. Jen,Chunyi Zhi
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (27): 23441-23450 被引量:6
标识
DOI:10.1021/jacs.4c12173
摘要

Organic molecule engineering has the potential to design materials with multiple electroactive centers, affording high energy storage capabilities and low-cost chemistry. The discovery of ferrocenes contributes significantly to the broad applications of organometallic compounds. Even though their reversible redox reactions can be used in batteries, their low potential and limited electron density per unit mass pose some challenges. Here, we report an I-activated voltage-enhanced ferrocene-based molecule, (ferrocenylmethyl) trimethylammonium iodide (FcNI), featuring a dual redox center by decorating the ferrocene backbone with designed functional groups to regulate the electron energy of Fe3+/2+ redox couples. It enables multielectron transfer of I0/- and Fe3+/2+, a sharply increased potential of Fe3+/2+ redox couples, and high-power energy storage with cycling stability. An organic cathode based on FcNI molecules displays a discharge capacity of over 400 mAh g-1 at 2 A g-1 with high-voltage plateaus up to 1.7 and 3.5 V when coupled with a zinc or lithium anode, respectively, and an excellent rate capability. Our results show that organic molecules can be programmed with multiple redox sites to develop high-voltage, fast-charging, and high-capacity organic rechargeable batteries.
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