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前沿院何刚课题组在紫罗精有机自由基锂离子电池研究领域取得重要进展

2019-05-15

紫罗精类化合物是一种具有优异氧化还原特性的阳离子型有机分子。在施加电压或光照条件下,可经历两步可逆的单电子氧化还原生成自由基正离子状态和中性分子状态,并伴随着明显的颜色变化。紫罗精分子独特的氧化还原特性使其在储能材料领域被广泛应用,例如无机/有机锂/钠/镁离子电池,水系有机液流电池,有机自由基电池以及锂-氧电池等。有机自由基电池作为一类新兴的储能器件,具有不含稀有金属、氧化还原性质可调、在分子层面上可柔性设计等优势,但这类电池还存在氧化还原态少、容量低、稳定性差等缺陷,极大地限制了其应用。

前期的研究工作表明将硫族元素引入有机共轭体系能极大改善材料的氧化还原特性,基于这类电极材料制备的有机锂钠离子电池具有很大的比容量。我们前期研究发现将硫族元素引入紫罗精衍生物,在紫罗精分子的基础上引入了更多的氧化还原中心,进一步提高了紫罗精衍生物的氧化还原特性。不难想象,将含硫族元素紫罗精化合物应用于有机自由基锂离子电池不仅能大大提高自由基电池的性能,还可以将这类分子的变色性质与电池性能相结合,发展新型的有机变色电池。



基于上述考虑,西安交通大学的何刚教授在前期含硫族元素紫罗精的研究基础上,成功制备了含硫族元素紫罗精聚合物,并将其作为电极材料应用到有机自由基锂离子电池中。研究发现,随着硫/硒/碲的引入,电池容量及循环稳定性都有大幅提升。其中含碲紫罗精聚合物表现出了最优的性能,当库伦效率达到100%时容量达到了502 mAh g-1。相关机理研究表明随着碲原子的引入极大提高了电极材料的电导率以及增加了锂化位点。在此基础之上,将含碲元素紫罗精聚合物的电致变色性质与电池应用相结合,制备了一种新型的柔性变色电池,在电池的充放电过程中,伴随着明显的颜色变化。这一研究工作不仅发展了一类新型的有机自由基电池,还为变色电池领域的研究提供了新的思路。



 以上研究结果以论文形式于发表在Angewandte Chemie International Edition (影响因子12.102)上,西安交大前沿院博士生李国平和张冰洁为本论文共同第一作者,西安交通大学前沿院为本文唯一通讯作者单位。这也是何刚教授课题组继基于含硫对苯羧酸盐类化合物的有机钠离子电池及含硫族元素紫罗精研究之后的又一重要突破(Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 15334; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 4897)。

 该论文作者为:Guoping Li, Bingjie Zhang, Jianwei Wang, Hongyang Zhao, Wenqiang Ma, Letian Xu, Weidong Zhang, Kun Zhou, Yaping Du, Gang He.

 该项研究工作得到了国家自然科学基金(21704081, 21875180)、中央高校基本科研业务费专项资金、陕西省自然科学基金以及唐仲英基金会和西交大分析测试共享中心的支持。

全文链接:https://doi.org/10.1002/anie.201903152

何刚教授课题组目前的研究领域为含主族元素有机杂环芳烃及聚合物合成及其在智能材料、光催化、有机电池及光动力抗菌等领域的应用。欢迎具有材料、化学、物理以及其他相关院系的学生报考。何刚教授课题组主页:http://gr.xjtu.edu.cn/web/ganghe


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