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高平课题组在卟啉基有机二次电池方向发表系列成果

作者 : 编辑 : 李银艳 来源:化学学院 发布时间 : 2021-08-13 09:20:33 点击量:

近日,我校化学学院高平特聘教授研究小组运用分子调控手段,开发了一系列含卟啉结构单元的新型有机正极材料用于电化学储能领域,提出了有效抑制有机电极材料溶解,低电导率的解决方案,取得了重要进展。

M-TEPP分子结构以及反应机理示意图

高平特聘教授研究小组的最新研究成果题为“新型有机赝电容卟啉正极助力稳定的双离子电化学储能”,发表在国际知名期刊《能源储能材料》(Energy Storage Mater., 2021,42,454-463)。利用卟啉4电子转移的特点从而获得高理论比容量,在卟啉结构meso位引入乙炔基官能团,因炔基的电子导线和可偶联的特点,在充电过程中发生氧化聚合,原位构筑结构稳定、高电子电导的有机正极,证实了卟啉分子中氮原子可逆地参与电荷存储,且阴阳离子分别参与电化学储能。

目前商业化锂离子电池的正极材料主要是无机过渡金属氧化物(如LiCoO2等)和磷酸盐(如LiFePO4)。随着新能源汽车和动力电池市场需求的不断激增,资源短缺、回收等难点问题将不断凸显。相比无机电极材料,有机电极材料由于资源丰富、可持续、低成本和高容量等优点,近年来受到了广泛的关注。迄今为止,多种含有不同活性官能的有机正极材料已被开发用于有机电池,如羰基类、亚胺类等。然而,有机小分子在电解液中易溶解,且其本征的低电子电导率极大限制了有机电池的循环稳定性和功率密度的发挥。

卟啉分子是一类由四个吡咯类亚基的α-碳原子通过次甲基桥互联而形成的共轭杂环化合物。卟啉化合物可从天然产物中通过提取、分离、纯化等方法得到的,如血红素叶绿素等。因其特殊的共轭结构和多电子转移特点,在催化、生物传感等领域得到广泛关注,但作为电极活性材料在二次电池体系的研究仍然鲜有报道。

此前,研究小组还开发了一类含苯基和乙炔的改性的金属卟啉配合物,利用原位电化学氧化聚合构筑兼顾倍率和循环稳定性能的有机正极用于有机电池体系,相关成果发表在《纳微快报》(Nano-Micro Lett.,2021, 13,71)。进一步研究发现温度诱导炔基原位聚合能显著提高有机电池的循环稳定性能,相关数据发表在美国化学会《应用材料与界面》(ACS Appl. Mater. Interfaces2021, 13, 7178-7187)。因卟啉基正极材料对电荷传递离子选择性小,可将其应用进一步拓展,用于非锂基电化学储能体系,相关成果发表在《化学与可持续性、能源与材料》(ChemSusChem,2020, 13, 2286-2294)。此外,研究小组还发展了一类含卟啉结构的有机聚合物锂电池正极材料,其稳定循环达2000次,成果发表在《化学通讯》(Chem. Commun.,2020,56, 5437-5440)。国家自然科学基金,湖南省青年百人计划项目和化学学院谭松庭教授、刘恩辉教授对研究小组的工作给予了支持。

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