Compuși azoici ca familie de materiale organice pentru electrozi pentru baterii cu ioni alcalini PNAS

Editat de Thomas E. Mallouk, Universitatea de Stat din Pennsylvania, University Park, PA și aprobat la 17 ianuarie 2018 (primit pentru examinare 12 octombrie 2017)

compuși

Semnificaţie

Materialele organice pentru electrozi sunt promițătoare pentru bateriile secundare ecologice și durabile, datorită greutății ușoare, abundenței, costului redus, sustenabilității și reciclabilității materialelor organice. Cu toate acestea, electrozii organici tradiționali suferă de o stabilitate redusă a ciclului și de o densitate redusă a puterii. Aici, raportăm o familie de materiale organice pentru electrozi care conțin grupe funcționale azo pentru bateriile cu ioni alcalini. Compusul azoic, sarea de litiu a acidului azobenzen-4,4'-dicarboxilic, prezintă performanțe electrochimice superioare în bateriile Li-ion și Na-ion, în ceea ce privește durata de viață a ciclului lung și capacitatea de rată ridicată. Studiul mecanismului demonstrează că grupul azo poate reacționa reversibil cu ionii Li în timpul ciclurilor de încărcare/descărcare. Prin urmare, această lucrare oferă oportunități pentru dezvoltarea bateriilor alcaline-ion stabile și de mare viteză.

Abstract

Bateriile Li-ion (LIB) sunt principalele dispozitive de stocare a energiei pentru majoritatea vehiculelor electronice și electrice portabile. Cu toate acestea, aplicarea pe scară largă a LIB-urilor induce provocări de mediu, cum ar fi efectul de seră și poluarea cu metale grele (1, 2), stimulând dezvoltarea de materiale ecologice și durabile ca înlocuitori ai materialelor LiCoO2 anorganice folosite comercial și a materialelor cu electrozi de grafit. Materialele organice cu avantajele greutății ușoare, abundenței, costului redus, durabilității și reciclabilității sunt de dorit pentru LIB-uri verzi și durabile (3 ⇓ –5). Prin urmare, proiectarea și sintetizarea materialelor de electrozi organici de înaltă performanță sunt esențiale pentru dezvoltarea LIB-urilor.

Structura moleculară a (A) AB, (B) MRSS și (C) ADALS. (D) Mecanism de reacție pentru ADALS.

Rezultate si discutii

Caracterizarea materialelor.

Structura și proprietățile fizice ale a trei compuși model azo (AB, MRSS și ADALS) au fost caracterizate utilizând XRD, spectroscopie Raman, FTIR, analiză gravimetrică termică (TG) și microscopie electronică cu scanare (SEM). Așa cum este demonstrat de modelele XRD din apendicele SI, Fig. S4A, S5A și S6A, toți cei trei compuși azoici prezintă structuri cristaline. Vârfurile la intervalul 1.400-1.450 cm -1 în spectrele Raman (apendicele SI, figurile S4B, S5B și S6B) și vârfurile la intervalul 1.575-1.630 cm -1 în spectrele FTIR (apendicele SI, figurile S4C, S5C și S6C) confirmă existența unei grupări azo în acești trei compuși (25, 26). Buna potrivire între spectrul calculat pentru (AB) 3 și experimentele prezentate în apendicele SI, Fig. S7 confirmă în continuare că compusul examinat este într-adevăr AB. Mai mult, intensitatea de bază ridicată cu creșterea numărului de undă în spectrele Raman (anexa SI, figurile S4B, S5B și S6B) se datorează fluorescenței emise de compușii azoici. Analiza TG (anexa SI, figurile. S4D, S5D și S6D) arată că AB începe să piardă în greutate la 100 ° C datorită punctului său scăzut de topire și fierbere, în timp ce MRSS și ADALS sunt stabile până la 275 ° C și 410 ° C, respectiv. Morfologia MRSS și ADALS din imaginile SEM (anexa SI, figurile S5E și S6E) indică faptul că MRSS și ADALS constau din particule mari cu o dimensiune de aproximativ 2 (m.

Proprietatea electrochimică.

Performanța electrochimică a ADALS în LIB-uri cu 6 M LiTFSI în electrolit DOL/DME. (A) Curbele de încărcare - descărcare galvanostatice. (B) Voltamogramele ciclice la 0,1 mV s −1. (C) Capacitatea de delimitare și eficiența Coulombic față de numărul ciclului la densitatea de curent de 0,5 C. (D) Performanța ratei la diferite rate C; (E) Curbele CV ale ADALS la diferite rate de scanare. (F) Relația ln a curentului de vârf și a ratei de scanare pentru ADALS.