卢锡洪EES:π-π堆积相互作用的芳香有机分子晶用于快速的锌离子存储

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背景与文献简介

水系锌电池在日常快速储能方面很有前景,但其商业化受到锌离子寄主低容量和低倍率性能的限制,特别是在实用级质量负载(每平方厘米10mg以上)的情况下更加明显。近日,中山大学卢锡洪老师团队在Energy Environ. Sci.期刊上发表了题为“Aromatic Organic Molecular Crystal with Enhanced π-π Stacking Interaction for Ultrafast Zn-Ion Storage”的研究论文,本文报道了一种芳香有机分子晶体,3,4,9,10-苝四羧酸二酐(PMC),通过加强π-π叠置相互作用促进其离子传输动力学,作为Zn离子的超高速率寄主材料。相互连接的层状结构具有很强的π-π叠加作用,实现了电子的快速传输,一维离子孔道为离子的快速传输提供了高速路径。锌电池使用这种电极材料可以实现高倍率性能(从1.6 C到260.4 C仍然能具有62.6%的容量),优越的功率密度(14.8kW kg-1)和在高质量负载(从2.5mg cm-2到12.3 mg cm-2容量保留可达83.6%)下良好的储能容量保留,为实际应用中设计高速锌离子存储设备提供了深入的研究。

图文导读

图1. PMC与π-PMC材料的物理表征比较


图2. 电化学性能展示


图3. 非原位技术对电极的储能过程的探究


图4. 电化学动力学分析

总结

综上所述,本研究表明,增强芳香有机分子晶体的π-π叠加相互作用能够有效地促进材料的电子转移,降低Zn2+的扩散能垒,从而为Zn离子的超快存储提供高效的宿主。得益于活化的1-D离子通道,提高了电子和离子传输速率,优化的π-PMC电极能够提供极好的倍率性能和高功率密度。在质量负载范围为2.5 ~ 12.3mg cm-2时,质量容量衰减率仅为16.4%,在扩展的实际设备应用级别下可以提供1.26 mA h cm-2的面积容量。这些成果为分子晶体宿主材料的设计提供了深入的见解,对实现高速率性能和功率密度的超快锌离子存储具有重要的借鉴意义。

文献资料


Aromatic Organic Molecular Crystal with Enhanced π-π Stacking Interaction for Ultrafast Zn-Ion Storage,Energy Environ. Sci.,2020.

DOI:10.1039/D0EE01723J


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