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A Unified Charge Storage Mechanism to Rationalize the Electrochemical Behavior of Quinone-Based Organic Electrodes in Aqueous Rechargeable Batteries

化学 电化学 有机自由基电池 阳极 阴极 水溶液 电极 电解质 电池(电) 储能 无机化学 有机化学 物理化学 量子力学 物理 功率(物理)
作者
Wenkang Wang,Véronique Balland,Mathieu Branca,Benoı̂t Limoges
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (22): 15230-15250 被引量:28
标识
DOI:10.1021/jacs.4c02364
摘要

Due to their eco-sustainability and versatility, organic electrodes are promising candidates for large-scale energy storage in rechargeable aqueous batteries. This is notably the case of aqueous hybrid batteries that pair the low voltage of a zinc anode with the high voltage of a quinone-based (or analogue of quinone-based) organic cathode. However, the mechanisms governing their charge-discharge cycles remain poorly understood and are even a matter of debate and controversy. No consensus exists on the charge carrier in mild aqueous electrolytes, especially when working in an electrolyte containing a multivalent metal cation such as Zn2+. In this study, we comprehensively investigate the electrochemical reactivity of two model quinones, chloranil, and duroquinone, either diluted in solution or incorporated into carbon-based composite electrodes. We demonstrate that a common nine-member square scheme proton-coupled electron transfer mechanism allows us to fully describe and rationalize their electrochemical behavior in relation to the pH and chemical composition of the aqueous electrolyte. Additionally, we highlight the crucial role played by the pKas associated with the reduced states of quinones in determining the nature of the charge carrier that compensates for the negative charges reversibly injected in the active material. Finally, contrary to the widely reported findings for Zn/organic batteries, we unequivocally establish that the predominant solid-state charge carriers in Zn2+-based mild aqueous electrolytes are not multivalent Zn2+ cations but rather protons supplied by the weakly acidic hexaaqua metal ions (i.e., [Zn(H2O)6]2+]).
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