Азосполуки як сімейство органічних електродних матеріалів для лужно-іонних батарей PNAS
Відредаговано Томасом Е. Маллуком, Університет штату Пенсільванія, Університетський парк, Пенсильванія, та затверджено 17 січня 2018 року (надійшло на огляд 12 жовтня 2017 року)
Значимість
Органічні електродні матеріали є перспективними для зелених та стійких вторинних батарей завдяки невеликій вазі, великій кількості, низькій вартості, стійкості та переробці органічних матеріалів. Однак традиційні органічні електроди страждають від поганої стабільності циклу та низької щільності потужності. Тут ми повідомляємо про сімейство органічних електродних матеріалів, що містять азофункціональні групи для лужно-іонних батарей. Азосполука, азобензол-4,4'-дикарбонова кислота, літієва сіль, демонструє чудові електрохімічні показники в літій-іонних та Na-іонних батареях, з точки зору довгого терміну служби та високої швидкості. Дослідження механізму демонструє, що азогрупа може оборотно реагувати з іонами Li під час циклів заряду/розряду. Тому ця робота пропонує можливості для розробки стабільних та високошвидкісних лужно-іонних акумуляторів.
Анотація
Літій-іонні акумулятори (LIB) є основними накопичувачами енергії для більшості портативних електроніки та електромобілів. Однак широке застосування LIB викликає екологічні проблеми, такі як парниковий ефект та забруднення важкими металами (1, 2), стимулюючи розвиток зелених та стійких матеріалів як заміни комерційно використовуваним неорганічним LiCoO2 та графітовим електродним матеріалам. Органічні матеріали, що мають переваги невеликої ваги, достатку, низької вартості, стійкості та переробки, бажані для зелених та стійких ЛІБ (3 ⇓ –5). Тому проектування та синтез високоефективних органічних електродних матеріалів є ключовими для розробки LIB.
Молекулярна структура (A) AB, (B) MRSS та (C) ADALS. (D) Механізм реакції на ADALS.
Результати і обговорення
Характеристика матеріалів.
Будова та фізичні властивості трьох сполук азомоделі (AB, MRSS та ADALS) були охарактеризовані за допомогою XRD, спектроскопії КРС, FTIR, термічного гравіметричного аналізу (TG) та скануючої електронної мікроскопії (SEM). Як продемонстровано на XRD-моделях у додатку SI, рис. S4A, S5A та S6A, усі три азосполуки мають кристалічні структури. Піки в 1400–1450 см -1 варіюються в спектрах КРС (Додаток SI, рис. S4B, S5B та S6B), а піки в діапазоні 1575–1630 см -1 в спектрах FTIR (Додаток SI, рис. S4C, S5C та S6C) підтверджують існування азогрупи в цих трьох сполуках (25, 26). Хороший збіг між розрахунковим спектром для (AB) 3 та експериментами, показаними в додатку SI, рис. S7, ще більше підтверджує, що досліджувана сполука справді є AB. Більше того, підвищена інтенсивність базової лінії зі збільшенням хвильового числа в спектрах КРС (Додаток SI, рис. S4B, S5B та S6B) зумовлена флуоресценцією, що виділяється азосполуками. Аналіз TG (Додаток SI, рис. S4D, S5D та S6D) показує, що АВ починає худнути при 100 ° C через низьку температуру плавлення та кипіння, тоді як MRSS та ADALS стабільні до 275 ° C та 410 ° C. відповідно. Морфологія MRSS та ADALS на зображеннях SEM (Додаток SI, рис. S5E та S6E) вказує на те, що MRSS та ADALS складаються з великих частинок розміром близько 2 мкм.
Електрохімічні властивості.
Електрохімічні показники ADALS в LIBs з 6 M LiTFSI в електроліті DOL/DME. (А) Гальваностатичні криві заряду-розряду. (B) Циклічні вольтамперограми при 0,1 мВ с −1. (C) Делітируюча здатність та кулонівська ефективність у порівнянні з числом циклу при щільності струму 0,5 C. (D) Показники швидкості при різних швидкостях C; (E) Криві CV ADALS при різних швидкостях сканування. (F) Взаємозв'язок ln пікового струму та швидкості сканування для ADALS.