A phenazine-derived organic anode for ultrafast and long-life aqueous potassium-ion full cells

阳极 吩嗪 水溶液 氧化还原 阴极 溶解 共轭体系 化学工程 化学 电化学 电解质 溶解度 材料科学 组合化学 有机化学 电极 复合材料 物理化学 工程类 冶金 聚合物
作者
Yifan Zheng,Dandan Yu,Jianchen Wang,Jie Yang,Wen Luo,Tianqi Ge,Laishun Qin,Yuexiang Huang,Da Chen
出处
期刊:Science China. Materials [Springer Nature]
卷期号:67 (5): 1464-1470 被引量:1
标识
DOI:10.1007/s40843-023-2796-5
摘要

Organic electrode materials hold great promise for advancing the development of aqueous potassium-ion batteries (AKIBs) due to their structural diversity and sustainability. However, they still encounter challenges such as low electroactive mass contribution and undesirable cycling performance resulting from intrinsic poor electronic conductivity and severe solubility issues. Herein, tricyano-substituted hexaazatrinnphthalene (3CN-HATN) was designed by enlarging the conjugated N-heteroaromatic structure and introducing cyano (C≡N) moieties as additional redox centers. Compared with the typical phenazine anode, the decrease in the lowest unoccupied molecular orbital energy level endows 3CN-HATN with a preferable reduction reaction. The narrower band gap ensures higher utilization of 3CN-HATN, while the elongation of π-conjugated structure effectively inhibits the dissolution in aqueous electrolytes. As a result, the 3CN-HATN anode achieves a remarkable capacity of 233.8 mA h g−1 at an ultrahigh rate of 80 C (1 C = 350 mA g−1), retaining an impressive 87.5% of the capacity at 2 C. When coupled with commercial Ni(OH)2 cathode, the as-assembled full cells exhibit outstanding cycling stability, maintaining a capacity retention of 81.5% after 10,000 cycles at 30 C. This work underscores the significance of molecular engineering in the development of redox-active organic materials for constructing high-performance AKIBs.
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