Angew：用于超快鋰和多價金屬電池的通用有機正極

【引言】

自1991年第一次商業(yè)化以來，由于其高能量密度，鋰離子電池（LIBs）一直主導著當前的能源儲存格局。然而，眾多安全事件，有限的資源供應（鋰，鈷）和高成本似乎限制了汽車市場和固定儲能系統的大規(guī)模利用。將可再生能源（如太陽能和風能）產生的間歇性發(fā)電集成到電網中的需求日益增加，這需要對環(huán)境友善／安全，具有成本效益且循環(huán)壽命長的鋰離子電池。在鋰離子電池以外的電池化學中，鎂金屬電池（MMBs）和鋁金屬電池（AMBs）有望用于大規(guī)模能量存儲，因為鎂和鋁金屬不僅豐富且安全，而且還通過多電子氧化還原賦予能量。 然而，它們的商業(yè)化受到正極功率密度和循環(huán)壽命較差的困擾。

【成果簡介】

近日，馬里蘭大學王春生（通訊作者）團隊報道了一種通用聚酰亞胺＠CNT（PI＠CNT）正極，可以以極快的速度可逆地存儲不同價態(tài)的各種陽離子（Li＋，Mg2＋，Al3＋）。團隊系統研究了PI＠CNT的離子配位電荷儲存機制。使用PI＠CNT正極和相應金屬負極的全電池具有較長的循環(huán)壽命（＞ 10000次循環(huán)），快速動力學（＞ 20°C）和寬工作溫度范圍（－40°C至50°C），使聚酰亞胺將成為不同多價金屬電池的通用正極。穩(wěn)定的離子協調機制為開發(fā)高能量和高功率的多價電池打開了新的思路。相關成果以題為“A Universal Organic Cathode for Ultrafast Li‐ and Multivalent metal Batteries”發(fā)表在了Angew上。

【圖文導讀】

圖1 合成示意圖

（a）PI＠CNT合成的示意圖

（b）合成的PI＠CNT的FTIR光譜

（c－f）PI／CNT復合材料的TEM圖像（c，d，e）和HRTEM圖像（f）

圖2 動力學和定量機理分析

（a）使用峰值電流和掃描速率之間的關系確定b值

（b－d）對于不同價電池（b）LIBs； （c）MMBs； （d）AMBs，電容（紅色區(qū)域）和擴散控制對于PI／CNT復合材料的電荷儲存的貢獻

圖3 性能評價

（a）從Li－PI和Mg－PI系統的量子化學（QC）計算獲得的還原電位和相應的絡合物

（b）應用MBBs為50個LED燈泡供電

【小結】

該工作有機聚合物解決了使用無機結晶正極材料的多價電池化學品的嚴重動力學和成本問題。目前的工作為設計高功率和長循環(huán)壽命的多價可充電電池提供了新的機會。