Low‐Redox‐Barrier Two‐Electron p‐Type Phenoselenazine Cathode for Superior Zinc‐Organic Batteries

氧化还原 化学 离域电子 阴极 电子转移 硫族元素 有机自由基电池 电化学 吩恶嗪 电负性 无机化学 光化学 电极 物理化学 结晶学 有机化学 吩噻嗪 药理学 医学
作者
Ting Shi,Ziyang Song,Chengmin Hu,Qi Huang,Yaokang Lv,Ling Miao,Lihua Gan,Dazhang Zhu,Mingxian Liu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202501278
摘要

Organic p‐type cathode materials with high redox potentials and fast kinetics have captured widespread attention in propelling Zn‐organic batteries (ZOBs). However, their anion‐accessible capacity is insufficient due to single electron reaction and/or high energy barrier of each redox‐active unit. Here we design two‐electron‐donating p‐type organic chalcogen small molecules (phenoxazine (PO), phenothiazine (PS) and phenoselenazine (PSe)) with tuned charge distributions and electron transfer behaviors as cathode materials for ZOBs. With the decrease of chalcogenide electronegativity (O>S>Se), PSe liberates the strongest coordination activity, efficient electron delocalization, and charge storage kinetics with an ultralow redox activation energy (0.23 vs. 0.34 eV of PS and 0.41 eV of PO), which contributes to high dual‐electron utilization of phenazine motifs of 99.2% (vs. 68.8% of PS and 52.7% of PO). Consequently, Zn||PSe battery delivers the highest capacity storage (227 mAh g−1) and energy density (273 Wh kg−1) among the reported p‐type cells, along with long life (10,000 cycles). A two‐electron redox mechanism is unlocked at amine/selenium sites of PSe, accompanied by reversible uptake of two CF3SO3− anions. This study highlights the considerable potential of low‐energy‐barrier multielectron design for high‐performance organic cathodes towards advanced ZOBs.
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