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基于离子液体电解液的高性能有机醌类钠电池

来源:南开大学 1042 2019-03-27

  近日,南开大学程方益课题组报道了离子液体在有机醌类钠电池中的应用,成果发表在Chem上(Chem 2019,5,364-375)。


  与无机电极材料相比,有机醌类电极材料主要由C、H、O、N等高丰度轻质元素组成,具有理论比容量高、分子结构可设计性强和环境友好等突出优点,在新能源领域应用前景广阔。然而,由于相似相溶,醌类化合物易溶于常规的酯类和醚类有机电解液,导致活性物质量损失,容量衰减严重,制约了实际性能。碳包覆、聚合等多种策略被相继报道,在一定程度上可以有效抑制电极材料溶解,获得较好的循环性能。然而,这些方法通常制备过程繁琐,在活性材料中引入高比例非活性成分,牺牲了材料的高容量。如何在保持醌类材料容量优势的同时,解决溶解问题是一项重要且具挑战性的课题。

  为此,本文提出一种采用离子液体基电解液抑制醌类溶解的策略。通过系统考察3种阳离子(N-丙基-N-甲基吡咯烷[PY13] 、N-丁基-N-甲基吡咯烷[PY14] 、N-丙基-N-甲基哌啶烷[PP13] )和2种阴离子(双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐[TFSI]-和双氟磺酰亚胺盐[FSI]-)组成的6种离子液体(IL)对有机醌类化合物溶解性的影响,并结合DFT计算,发现当离子液体与醌类化合物的极性差异大、给电子对能力低、结合能小时,抑制醌类材料溶解效果最佳。作者进一步优化了0.3 M Na[TFSI]/[PY13][TFSI]电解液,以杯[4]醌(C4Q)为正极,金属钠为负极,构建了有机钠醌电池,醌类放电容量和能量密度分别超过400mAh/g和800Wh/kg,显著优于在醚基电解液,并且可实现较大倍率下的稳定循环。此外,作者还验证了[PY13][TFSI]对抑制多种醌类电极材料(包括苯醌、联苯醌、蒽醌、萘醌、菲醌等)溶解问题的普适性。该工作阐明了离子液体基电解液抑制醌类材料溶解的机制,为提升醌类材料的电极性能、构建新型有机钠电池提供了新思路。

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