北京理工AEM: 稳定的大容量有机铝-卟啉电池

铝离子电池 (AIB) 因其优越的安全性和长寿命的能量存储的有前景的特性而引起人们的兴趣。具有工程活性基团的有机材料被认为有希望提高储能能力。然而，相应的能量密度（需要电压平台和足够的活性位点）和稳定性仍然较差。

由于存在芳香族 π 共轭平面大环，卟啉在最高占据分子轨道 (HOMO) 和最低占据分子轨道 (LUMO) 之间保持小间隙，从而通过快速电子吸收和释放实现高氧化还原活性。北京理工大学的宋维力、焦树强教授等人将π-共轭有机卟啉分子，即即5,10,15,20-四苯基卟啉（H₂TPP）和5,10,15,20-四（4-羧基苯基）卟啉（H₂TCPP）作为 AIBs 的正极材料。

图1 Al-卟啉电池的电化学性能

由于与铝络合物阳离子高度可逆的配位/解离，H₂TPP在 200 mA g^-1下表现出超过5000次循环的长期循环稳定性。与H₂TCPP的比容量（100 mA g^-1时≈24 mA hg^-1）相比，H₂TPP的增强能力（100 mA g^-1时≈101 mA hg^-1）归因于去除了羧基官能团，其在降低通过吸电子效应诱导的卟啉的碱性中起作用。此外，还研究了AlCl₂⁺与卟啉之间的电化学反应机理以及电极表面的离子扩散行为。研究结果为开发用于安全稳定储能的长效有机铝电池搭建了平台。

图2 H₂TPP和H₂TCPP电极材料的动力学分析

图3 H₂TPP的表征和DFT计算

Stable High-Capacity Organic Aluminum–Porphyrin Batteries. Advanced Energy Materials. 2021. DOI: 10.1002/aenm.202101446

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