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High-capacity π-conjugated organic anode with multielectron redox for zinc-metal-free zinc-ion batteries

阳极 氧化还原 电化学 电偶阳极 无机化学 化学 电子转移 阴极 金属 材料科学 电极 化学工程 光化学 有机化学 物理化学 阴极保护 工程类
作者
Yumeng Jia,Haiguang Gao,Wei Jin,Dengfeng Guo,Zhidong Chen,Jianyu Cao,Yong‐Miao Shen,Yucheng Huang,Juan Xu
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier BV]
卷期号:597: 234138-234138 被引量:6
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2024.234138
摘要

Aqueous zinc-ion batteries (ZIBs) features prominently in virtue of their high theoretical capacity, reliable security, eco-friendliness and excellent rate capability. However, conventional zinc anodes suffer from the poor reversibility and unsatisfactory cycle durability due to the serious dendrite growth and parasitic side reactions, becoming a huge technological challenge to their commercial applications. Herein, a redox-active π-conjugated molecule, 2,2′,2''-(benzene-1,3,5-triyl)tris (1H-naphtho [2,3-d]imidazole-4,9-dione) (BTHI), is designed as substitute for Zn-metal anode. The BTHI electrode shows a high reversible capacity of 342 mAh g−1 at 0.1 A g−1 (approaching its theoretical capacity of 362 mAh g−1, 9 electrons transfer), along with rapid kinetics for charge storage. Both ex-situ spectroscopy characterizations and electrochemical experiments demonstrate reversible H+/Zn2+ co-insertion/extraction behaviors in the BTHI electrode. The density-functional theory (DFT) simulation results further indicate that H+ insertion is thermodynamically favored over Zn2+ uptake and reveal that protons are first inserted into six carbonyl groups, followed by the CN bonds of three imidazole subunits. By pairing the BTHI anode with copper hexacyanoferrate (CuHCF) cathode, a Zn-metal-free BTHI//CuHCF full cell is assembled, which delivers a record high capacity (315 mAh g−1 at 1 A g−1), outstanding rate performance (207 mAh g−1 at 10 A g−1), and remarkable cycling durability (71.9 % capacity retention rate after 1000 cycles at 10 A g−1).
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