Alternant P-Type/N-Type Conjugated Bipolar Copolymer Cathodes for Advanced Aqueous Zinc-Ion Batteries

共聚物 共轭体系 水溶液 材料科学 类型(生物学) 阴极 离子 无机化学 高分子化学 化学 聚合物 有机化学 物理化学 冶金 复合材料 生态学 生物
作者
Yanrong Wang,Shigui Qiu,Shuangshuang Tan,Huaizhu Wang,Xuemei Wang,Chenxi Zheng,Lubin Ni,Guowang Diao,Caixing Wang,Zhong Jin
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c18862
摘要

To synergistically combine the features of high specific capacity of n-type organic materials with the high voltage of p-type organic materials, bipolar phenolthiazine-based cathodes with p-type/n-type structures are gaining increased attention for aqueous zinc-ion batteries (AZIBs). Nevertheless, their small molecular structure often leads to dissolution during cycling. To address the challenge, a bipolar poly(phenothiazine iodide-3,3'-diaminobenzidine), abbreviated as P(PTD-DAB), was synthesized as a cathode material. Through comprehensive spectroscopic analyses, we elucidated a cooperative p-type/n-type dual-ion storage mechanism. Specifically, the N atom in the phenothiazine core stores Zn2+ or H+ cations via n-type reactions, while the N atoms connecting phenothiazinium tetraiodide and 3,3'-diaminobenzidine monomers, along with S atoms, act as p-type active sites for storing OTF- anions. The material delivers an average operating voltage of 1 V and achieves a high specific capacity of 211.8 mAh g-1 at a low current density of 0.1 A g-1. Additionally, it shows 90% capacity over 3600 cycles at a high current density of 3 A g-1 while sustaining robust stability at a high mass loading of active cathode (10 mg cm-2). Furthermore, flexible belt-shaped cells maintain 88% capacity retention over 550 cycles at 3 A g-1 even when subjected to repeated bending conditions. This work represents a great advancement in developing bipolar polymers for high-performance AZIBs and offers valuable insights into their design principle and functionality.
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