鉀離子（K-ion）電池（PIBs）具有成本低、電化學(xué)性能與鋰離子電池相似等突出優(yōu)點(diǎn)，引起了人們廣泛的研究興趣。近年來，有機(jī)氧化還原活性化合物逐漸成為極具發(fā)展前景的電極材料。不同的研究小組已經(jīng)證明，有機(jī)電極可以**地存儲大半徑的K離子，這是基于有機(jī)固體的大空隙空間，這使得有機(jī)電極相對于基于插層-脫嵌機(jī)制的無機(jī)電極具有明顯的優(yōu)勢。當(dāng)前，開發(fā)**的有機(jī)電極仍然是PIBs商業(yè)化的重中之重，因?yàn)橐褕蟮赖挠袡C(jī)電極的一些關(guān)鍵參數(shù)（如能量密度、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性）離實(shí)際應(yīng)用還很遠(yuǎn)。目前，在PIBs中使用有機(jī)電極有兩個明顯的局限性：大多數(shù)小分子有機(jī)電極在液體電解質(zhì)中溶解問題嚴(yán)重（循環(huán)穩(wěn)定性差）；二是有機(jī)電極電導(dǎo)率相對較好（低倍率性能）。可喜的是，從分子工程學(xué)的角度可以很好地解決上述問題：1）設(shè)計新型的有機(jī)低聚物或高分子量的雜化物可以解決溶解問題。有機(jī)低聚物/雜合物具有確定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，與有機(jī)聚合物相比更容易純化；2）擴(kuò)大芳族π共軛可顯著提高有機(jī)材料的電子電導(dǎo)率，廣泛用于有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）和有機(jī)太陽能電池（OSC）?？紤]到非常豐富的有機(jī)結(jié)構(gòu)的可設(shè)計性，必須有許多高性能的有機(jī)電極等待開發(fā)。

【成果簡介】

近日，電子科技大學(xué)樊聰/唐武團(tuán)隊(duì)為有機(jī)鉀離子電池（OPIB）設(shè)計了一種新型的不溶性小分子有機(jī)正極[N,N'-雙(2-蒽醌)]-苝-3,4,9,10-四羧基二酰亞胺（PTCDI-DAQ，200 mAh g^-1）。在二甲氧基乙烷（DME）使用1 m KPF₆的半電池（1-3.8 V vs K⁺/K）中，PTCDI-DAQ提供了216 mAh g^-1的高度穩(wěn)定的比容量，并在20 A g^-1（100 C）的超高電流密度時仍保持133 mAh g^-1的比容量。使用還原的對苯二甲酸鉀（K₄TP）作為有機(jī)負(fù)極，在DME中使用電解質(zhì)為1 m KPF₆的所得K₄TP || PTCDI-DAQ OPIBs可實(shí)現(xiàn)更大295 Wh kg^-1_正極（213 mAh g^-1正極×1.38 V）的高能量密度。在0.2-3.2 V工作電壓下?lián)碛?3800 W Kg^-1_正極（94 mAh g^-1×1.38 V@10 A g^-1）的功率密度。同時，K₄TP || PTCDI-DAQ OPIBs具有超長的使用壽命，10000次循環(huán)后，其穩(wěn)定放電容量為62 mAh g^-1_正極，3萬次循環(huán)后穩(wěn)定放電容量為40 mAh g^-1_正極（3 A g^-1）。PTCDI-DAQ的綜合性能達(dá)到目前世界更好水平。該成果以題為“Novel Insoluble Organic Cathodes for Advanced Organic K-Ion Batteries”發(fā)表在了Adv. Funct. Mater.上。

報道了一種新型的不溶性小分子有機(jī)正極PTCDI-DAQ，其比容量為200 mAh g^?1。PTCDI-DAQ在半電池和全電池中均表現(xiàn)出令人印象深刻的循環(huán)穩(wěn)定性、高速率性能和長壽命。例如，所得到的全電池可以提供295 Wh kg^-1_正極的高能量密度，高功率密度的13?800 Wkg^-1_正極和超過30 000個循環(huán)的超長壽命?？傊?，這項(xiàng)工作為高性能有機(jī)電極的分子設(shè)計打開了大門，同時也為有機(jī)鉀離子電池的發(fā)展邁出了重要的一步。

文獻(xiàn)鏈接：

Novel Insoluble Organic Cathodes for Advanced Organic K-Ion Batteries（Adv. Funct. Mater.， 2020，DOI:10.1002/adfm.202000675）