High-capacity aqueous zinc batteries using sustainable quinone electrodes.
High-capacity aqueous zinc batteries using sustainable quinone electrodes.
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使用可持续醌电极的高容量水性锌电池
DOI：
10.1126/sciadv.aao1761
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发表时间：
2018-03
期刊：
影响因子：
13.6
通讯作者：
Chen J
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Zhao Q;Huang W;Luo Z;Liu L;Lu Y;Li Y;Li L;Hu J;Ma H;Chen J
可持续和无处不在的有机醌阴极有助于高容量和安全的可充电锌电池。醌类化合物普遍存在于自然界中，是一种可持续的绿色电极材料，但在有机电解质中存在溶解问题，容量衰减快，循环寿命短。我们报道了醌电极，特别是在可充电金属锌电池中的杯状[4]醌（C4Q）电极与使用水电解质的阳离子选择性膜耦合，在20 mA g - 1时具有335 mA h g - 1的高容量，能量效率为93%，在500 mA g - 1时具有1000次循环的长寿命，容量保持率为87%。C4Q阴极和Zn阳极的放电深度分别为89% （C4Q）和49%（锌阳极）的袋式锌电池可以提供220 Wh kg−1的能量密度（按质量计）。我们还开发了一种静电势计算方法来证明羰基是电化学的活性中心。此外，利用红外光谱、拉曼光谱和紫外-可见光谱等操作光谱技术研究了活性材料在放电和充电过程中的结构演变和溶解行为。我们的研究结果表明，在水电解质中使用醌阴极和金属阳极的电池是可靠的大规模能量存储方法。
Sustainable and ubiquitous organic quinone cathodes contribute to high-capacity and safe rechargeable zinc batteries. Quinones, which are ubiquitous in nature, can act as sustainable and green electrode materials but face dissolution in organic electrolytes, resulting in fast fading of capacity and short cycle life. We report that quinone electrodes, especially calix[4]quinone (C4Q) in rechargeable metal zinc batteries coupled with a cation-selective membrane using an aqueous electrolyte, exhibit a high capacity of 335 mA h g−1 with an energy efficiency of 93% at 20 mA g−1 and a long life of 1000 cycles with a capacity retention of 87% at 500 mA g−1. The pouch zinc batteries with a respective depth of discharge of 89% (C4Q) and 49% (zinc anode) can deliver an energy density of 220 Wh kg−1 by mass of both a C4Q cathode and a theoretical Zn anode. We also develop an electrostatic potential computing method to demonstrate that carbonyl groups are active centers of electrochemistry. Moreover, the structural evolution and dissolution behavior of active materials during discharge and charge processes are investigated by operando spectral techniques such as IR, Raman, and ultraviolet-visible spectroscopies. Our results show that batteries using quinone cathodes and metal anodes in aqueous electrolyte are reliable approaches for mass energy storage.
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