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通訊作者：焦麗芳教授
通訊單位：南開大學
論文DOI：10.1002/adfm.202107830
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區別於傳統的“搖椅式”金屬離子電池，由於正離子和負離子可以同時在正負極上分別參與電荷轉移反應，雙離子電池（DIBs）有望實現高能量/功率密度。鈉離子儲能裝置是一種新興技術，有望補充目前的鋰離子電池資源有限等問題。然而，由於正極材料的不匹配和Na+動力學緩慢，使得DIBs在實際應用中難以進一步推廣應用。近期，南開大學化學學院焦麗芳教授課題組透過對聚苯胺正極進行最佳化，應用於ClO4-的高效儲存，實現正極高比容量，全面提升全電池的綜合性能。
背景介紹
儲能技術是維持可持續能源供應以滿足不斷增長的能源需求的關鍵，是當今最具挑戰性的課題之一。鈉離子儲能裝置作為鋰離子電池的補充，已成為電化學能源工程領域的研究熱點。新興的鈉基雙離子電池(Na-DIBs)具有較高的安全性，Na+和陰離子同時參與電極電荷轉移反應，相比較單一電解質離子從一極向另一極遷移，更易實現大功率的需求。石墨作為DIBs最常用的正極，主要缺點為容量有限。在較高的陰離子嵌入電壓下，電解液發生嚴重不可逆分解，進而發生更多副反應。同時，由於陰離子體積較大，在陰離子嵌入/脫嵌時，石墨正極表現出較大的體積膨脹率。因此，開發並設計具有穩定和高效能正極至關重要。
聚苯胺（PANI）可以透過化學摻雜法使其具備不同氧化態。摻雜劑和共軛高分子間形成電荷轉移，透過改變沿共軛主鏈的氮原子來調節聚苯胺的摻雜態。充分質子化的聚苯胺可以實現294 mAh g-1的高理論比容量。同時，聚苯胺儲存陰離子的氧化還原電位較為適中，可有效避免電解質的分解。但實際測試中，聚苯胺中豐富的氧化單元很大程度影響了其對陰離子的儲存效能，實測比容量不到理論值的一半。因此，考慮用質子酸對聚苯胺（PANI）進行最佳化改性，進一步提高在雙離子電池中的電化學效能。
圖文解析
圖1. 聚苯胺正極效能
圖2. 電極動力學分析
圖3. 原位FT-IR
圖4. 全電池效能
總結與展望
在本研究中，P-PANI正極具有ClO4-可逆儲存的特性，在0.2 A g-1時比容量為210 mAh g-1，在3 A g-1時比容量為123 mAh g-1。P-PANI具有豐富的活性位點和顯著的電化學動力學，在2 A g-1下迴圈2000次後，其可逆容量為103 mAh g-1。透過一系列相關表徵測試分析，明確了ClO4-的儲存機理。基於P-PANI正極的優越效能，採用聚苯胺衍生硬碳（N-PDHC）負極組裝全電池。P-PANI//N-PDHC全電池可提供284 Wh kg-1的高能量密度和20100 W kg-1的高功率密度。在工作電壓1.5-4.0 V範圍內可獲得97 mAh g-1可逆放電容量，並且庫倫效率接近100%，與此前相關報道相比具有明顯優勢。裝配的軟包全電池可以穩定地為一部智慧手機供電，進一步驗證了其實用價值。因此，本研究透過對正極進行有效最佳化，有望為高能量/高功率鈉基雙離子全電池的開發與設計提供研究思路。
通訊作者介紹
焦麗芳，南開大學化學學院教授，博士生導師。主要研究方向為：新能源材料的儲存與轉化研究（包括：鋰離子電池、鈉離子電池及電催化制氫）。2016年獲國家基金委優秀青年基金資助，2017年入選南開大學百名青年學科帶頭人，2019年獲天津市自然科學一等獎（第一完成人），2020年獲國家基金委傑出青年基金資助。以課題負責人身份主持國家 863 專案、國家自然科學基金，省部級科學基金等12 項科研課題；在Angew. Chem. Int. Ed.，Chem. Soc. Rev.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater., Nano Lett.等期刊上發表論文200餘篇。論文被他人引用13000餘次，h-index為62。
文獻來源
Zhiqin Sun et al., Lifang Jiao*, Optimized Cathode for High-Energy Sodium-Ion Based Dual-Ion Full Battery with Fast Kinetics. Adv. Funct. Mater. 2021, 2107830. DOI: 10.1002/adfm.202107830
