Stable Triphenolamine Radical Cathode with High Electron Conductivity for High-Rate Aqueous Zinc-Ion Batteries

材料科学 阴极 水溶液 电导率 离子 电子 化学工程 冶金 电气工程 有机化学 物理化学 化学 物理 量子力学 工程类
作者
Jiaxing Huang,Meilin Li,Zhenfei Li,Cuiping Han,Yuan Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.5c01552
摘要

Compared with conventional lithium-ion batteries with organic electrolytes, aqueous zinc-ion batteries with low cost, sustainable, and environmentally friendly organic cathodes exhibit promising potential to meet the continuously increasing demand of safe and large-scale energy storage. The representative organic cathodes, including quinoidal polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-N-oxyl (TEMPO) polymers, suffer from challenging synthesis and limited theoretical specific capacity. Herein, different from PAHs and TEMPO polymers, stable 4,4',4″-nitrilotriphenol [TPA-(OH)3] is explored as the organic radical cathode material by extremely low-cost raw materials and two simple reactions. Further, an open-shell TPA-O3 radical is obtained by facile oxidation with air. Interestingly, TPA-O3 showed unexpected higher electron conductivity of 3.35 × 10-4 S cm-1 than the precursor [2.73 × 10-6 S cm-1 for TPA-(OMe)3]. The nitro-like nitroxide resonance structures of TPA-O3 contribute to its high electrochemical stability during the 200-cycle cyclic voltammetry test in air and thus exhibit good reversibility when used as a cathode material. Moreover, TPA-O3 exhibits a reduction voltage of ∼ 1.0 V vs Zn/Zn2+ at 0.5 mV s-1, which is higher than those of most quinone-based cathodes and comparable to TEMPO-type radical cathodes. It also demonstrates a stable capacity of 123.7 mA h g-1 and a high-capacity retention of 95.87% after 2000 stable cycles at 5 A g-1, marking its superiority to those of previously reported organic radical cathodes.
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