由于聚合物的稳定结构，使用聚合物正极材料的可充电水系锌离子电池（AZIBs）通常表现出优异的循环稳定性。然而，它们的进一步发展受到相对较低的产能的限制。在此，本工作主要设计了在二维方向上具有丰富的亚氨基活性位点的石墨烯-共轭微孔聚合物复合材料G-Aza-CMP，，具有超高理论容量 (602 mAh g ^-1 ) 用于 AZIBs。石墨烯的引入使Aza-CMP暴露出更多的活性位点与H⁺ /Zn²⁺配位，甚至促进了H⁺的储存以获得更快的动力学，并赋予了G-Aza-CMP//Zn电池的氧化还原能力赝电容机制。因此，使用 G-Aza-CMP 作为阴极的 AZIBs 在 0.05 A g ^-1下表现出 456 mAh g^-1 的非凡比容量，以及在 10 A g ^-1下 9700 次循环后具有出色的循环稳定性和 91.2% 的容量保持率。该研究为AZIBs高容量聚合物正极材料的电荷存储机制和设计提供了新的见解。
 
 
Figure 1. (a) 具有2M ZnSO₄电解质的水系 G-Aza-CMP//Zn 电池系统中H⁺ /Zn²⁺存储机制的示意图。(b) Aza-CMP 和 G-Aza-CMP 的合成路线。
 
 
Figure 2. Aza-CMP 和 G-Aza-CMP 材料的表征。(a) Aza-CMP 的 HR-TEM 图像。(b) N₂吸附-解吸等温线和插图显示了Aza-CMP 的孔径分布。(c) G-Aza-CMP、Aza-CMP 和rGO的 FT-IR 光谱。(d) G-Aza-CMP、Aza-CMP 和 rGO 的TGA曲线。(e) G-Aza-CMP、Aza-CMP 和 rGO 的XRD 图谱。(f) G-Aza-CMP 的 SEM 图像。(g) G-Aza-CMP 的TEM图像。(h) rGO 的插图显示了更多的 Aza-CMP 活性位点，并比较了 H⁺/Zn²⁺的插入率。
 
 
Figure 3. G-Aza-CMP电极在2M ZnSO₄电解液中的电化学性能。(a) G-Aza-CMP电极在0.05 A g ^-1电流密度下的GCD曲线。(b) G-Aza-CMP与已经报道的聚合物电极材料其理论容量和实际放电容量对比图。包括 HqTp、PA-COF、HAQ-COF、M-PTPA、PDBS、PANI、PBQS、PDA、PTVE、PPy、POLA。(c) G-Aza-CMP 和 Aza-CMP 电极的倍率性能,在 0.1-10.0 A g ^-1的电流范围内测量。(d) G-Aza-CMP 电极与先前报道的 n 型有机电极材料的倍率性能比较。(e) G-Aza-CMP电极在0.2 mV s ^-1的扫描速率下测试的CV曲线. G-Aza-CMP 和 Aza-CMP 电极在 (f) 0.1 A g ^-1和 (g) 10.0 A g ^-1的电流密度下的循环稳定性。(h) G-Aza-CMP 电极与 Aza-CMP 电极的EIS比较。
 
 
Figure 4. 通过（放电）过程中的各种异位表征研究 G-Aza-CMP 电极中的H⁺ /Zn²⁺存储机制。（a）G-Aza-CMP在充放电过程中与Zn²⁺/H⁺配位结合示意图。（b）Aza-CMP的ESP图。（c）选取G-Aza-CMP在不同充放电时的状态。（d）不同充放电状态下G-Aza-CMP的FT-IR图。（e）不同充放电状态下G-Aza-CMP的XPS图。（f）不同充放电状态下G-Aza-CMP的XRD图。（g）不同充放电状下G-Aza-CMP的SEM图和元素分析。
  
 
Figure 5. 通过各种电化学测试研究 G-Aza-CMP 电极中的电荷存储机制。(a) 在三电极系统中以 0.5 mV s ^-1测试的 CV 曲线。(b) 在H₂SO₄ (pH=4) 或2M ZnSO₄ (pH=4)的三电极系统中测试的电流密度为0.05 A g^-1的G-Aza-CMP电极的放电曲线为电解质。(c) 在 0.5 mV s^-1的 Zn//G-Aza-CMP 水溶液电池系统中测试的 CV 曲线。(d) 在0.05 A g^-1的电流密度下在不同电解质体系中测试的放电曲线。
 
 
Figure 6. 通过各种电化学测试研究 G-Aza-CMP 电极中的电荷存储动力学。(a) Aza-CMP 电极在不同 pH 值的 2M ZnSO₄电解液中的EIS比较。(b) 在从 0.1 到 2.0 mV s ^-1的各种扫描速率下测试的 CV 曲线。(c)在从不同扫描速率下的CV曲线获得的特定峰值电流处log(峰值电流，mA)与log(扫描速率，mV s ^-1 )的线性关系。(d) 不同扫描速率下的电容控制和扩散控制容量贡献。(e) 2.0 mV s^-1的电容控制容量贡献. (f) 恒电流间歇滴定技术 (GITT) 曲线和G-Aza-CMP 和 Aza-CMP 在 0.03 A g ^-1下计算的离子扩散系数的比较。
 
  
Figure 7. G-Aza-CMP与不同数目的H⁺/Zn²⁺结合的吉布斯自由能模拟分析。
  
       相关研究工作由复旦大学Mingxin Ye和Jianfeng Shen课题组于2022年在线发表于《Energy Storage Materials》期刊上。原文; High capacity and long-life aqueous zinc-ion battery enabled by improving active sites utilization and protons insertion in polymer cathode。

转自《石墨烯研究》公众号