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A bipolar-redox tetraalkynylporphyrin macrocycle positive electrode with 12-electrons-transfer for high-energy aluminum-organic batteries

氧化还原 电极 电子转移 电子 材料科学 化学 光化学 无机化学 物理 物理化学 复合材料 量子力学
作者
Yuxi Guo,Wei Wang,Ke Guo,Xiaodong Chen,Mingyong Wang,Zheng Huang,Yanli Zhu,Wei‐Li Song,Shuqiang Jiao
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-025-58126-5
摘要

Organic electrode materials with bipolar-redox activity are a promising candidate for high-energy aluminum-ion batteries (AIBs), but face the capacity ceiling due to limited active sites and low electron transfer number. To universally address this issue, seeking for a kind of multisite bipolar organic material to achieve multielectron transfer is a prerequisite but challenging. Herein, we develop a 12-electron transfer tetraalkynylporphyrin macrocycle positive electrode with two p-type amine (‒NH‒) motifs, two n-type imine (C = N) motifs and four n-type alkynyl (C ≡ C) motifs. The bipolar 18π-electron porphyrin macrocycle can alternately bind and release AlCl4− anions at ‒NH‒ sites and AlCl2+ cations at C = N sites (oxidized from 18π to 16π or reduced from 18π to 20π), achieving four electrons transfer. Furthermore, each terminal C ≡ C site can also coordinate with two AlCl2+ cations, thereby delivering eight electrons. The designed aluminum-organic battery achieves a high capacity of up to 347 mAh g−1 (3-6 times that of conventional graphite positive electrode, 60-120 mAh g−1) and a high specific energy of 312 Wh kg−1 (up to 150% compared to cells with graphite as positive electrode) based on the mass of positive electrode materials. Organic electrode materials are promising candidates for rechargeable Al-ion batteries but face the capacity ceiling due to limited active sites and low electron transfer number. Here, authors develop a tetraalkynylporphyrin cathode with 12-electron transfer to achieve high energy Al-organic batteries.
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