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Electrolyte initiated instaneous in-situ chemical polymerization of organic cathodes for ultralong-cycling magnesium ion batteries

材料科学 电解质 阴极 聚合 原位聚合 聚吡咯 氧化还原 溶解度 聚苯胺 化学工程 无机化学 电极 聚合物 冶金 有机化学 复合材料 物理化学 化学 工程类
作者
Xinmei Song,Xiaolan Xue,Hailun Xia,Jin Li,Anyang Tao,Yaoda Wang,Junchuan Liang,Yuzhu Liu,Pengbo Zhang,Zuoxiu Tie,Yi‐Tao Long,Zhong Jin
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:55: 426-435 被引量:48
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2022.11.052
摘要

Redox-active organic compounds are promising electrode materials for rechargeable batteries owing to their diverse structures, light weight, resource recyclability and low cost, but the solubility and side reactions in electrolytes impede their practical applications. Herein, we report that pyrrole-based redox-active organic monomers can be instantly converted into π-conjugated polymer derivatives via a convenient and efficient in-situ chemical polymerization method during battery assembly without tedious fabrication procedures, which, in essence, is to use the electrolyte originally containing bis(hexamethyldisilazido)magnesium (Mg(HMDS)2) to induce the instantaneous in-situ polymerization of 2-pyrrolanthraquinone (2-PyAQ). Benefited from the intrinsic high ionic mobility and minimal electrolyte solubility of the redox-active π-conjugated polymer chains, the as-obtained poly(N-anthraquinoyl pyrrole) (PAQPy) cathode material exhibit high specific capacity, good rate performance and ultralong cycling stability over 4,000 cycles (with a capacity decay rate of only 0.00098% per cycle). Electrochemical kinetics analyses revealed a high Mg-ion diffusivity in the order of 10−11 cm2 s−1 and a high total capacity originated from both capacitive and diffusion-controlled contributions. A series of in-situ and ex-situ spectroscopic studies verified an extraordinary dual-ion storage mechanism based on both the insertion/extraction processes of Mg2+ and MgCl+ cations on anthraquinone side groups and the doping/de-doping processes of HMDS- anions on polypyrrole chains. This work demonstrates an effective and universal stabilization strategy of redox-active organic electrode materials via electrolyte initiated in-situ chemical polymerization to propel the exploration of high-performance secondary batteries.
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