具有准固态电解质的柔性Zn||TAP/Ti3C2Tx电池在可穿戴电子的应用

研究背景

有机材料由于其软晶格、可调结构和固有延展性的优点而在EES领域脱颖而出。有机正极可以通过n型或p型反应储存电荷。同时，具有氧化还原官能团的n型有机材料通过Zn2+离子与活性中心之间的配位反应能够可逆地储存Zn2+，避免了无机正极之间普遍存在的结构塌陷。迄今为止，羰基和亚胺化合物(例如，杯醌，芘-4,5,9,10-四酮(PTO)，二喹喔啉[2,3-a:2′，3′-c]吩嗪(HATN)，和HATN-2,8,14-三碳腈(HATN-3CN))已经成为具有代表性的n型有机正极，并在水性ZIBs中实现了令人难忘的Zn2+储存性能。但它们仍存在导电能力不足，在水系电解质中易溶解的缺点。具有扩展共轭碳氮骨架的三氮杂并五苯(C42N12H18，TAP)是一种潜在的选择，具有显著的催化性能，但其储能行为尚未公开。此外，将有机分子嫁接到导电支架上，可有效增强电子转移，确保结构完整，在导电支架的选择中Ti3C2Tx表面积大，柔韧性强，是改善TAP导电性、活性表面和机械稳定性的前沿材料。

文章简介

基于此，来自哈尔滨工业大学的Xiaoxiao Huang教授课题组在国际顶级期刊Advanced Materials上发表题为“MXene-Boosted Imine Cathodes with Extended Conjugated Structure for Aqueous Zinc-Ion Batteries”的文章。

本文提出了一种沿碳氮骨架扩展共轭效应的亚胺基三(氮)并五苯(TAP)，将其原位注入层状MXene中形成TAP/Ti3C2Tx正极。理论分析和电化学分析揭示了TAP中选择性H+/Zn2+共插入/脱出的机理，这归因于空间效应对活性碳氮中心可用性的影响。此外，Ti3C2Tx作为导电支架材料，有利于Zn2+快速扩散，促进TAP的电极动力学。在反复充放电过程中，TAP与Ti3C2Tx之间的密切电子相互作用保持了TAP/Ti3C2Tx的结构完整性。相应地，TAP/Ti3C2Tx正极在0.04 A g-1的水系ZIBs中提供了303 mAh g-1的高可逆容量，这也实现了超长寿命超过10000次循环，容量保持率为81.6%。此外，具有准固态电解质的柔性Zn||TAP/Ti3C2Tx电池在可穿戴电子器件中具有潜在的应用前景。这项工作提供了关键的指导，以创造高度稳定的有机电极先进ZIBs。

特色要点

要点一：以Ti3C2Tx为导电骨架，采用一步水热法在其层间生长TAP，得到结构稳定，导电性质优异的TAP/Ti3C2Tx复合材料用以存储Zn2+

图1. TAP和TAP/Ti3C2Tx正极的理论模拟

图2. 制备TAP/Ti3C2Tx的示意图

图3. TAP/Ti3C2Tx的合成与表征

要点二：TAP/Ti3C2Tx正极具有高的Zn2+扩散系数，低的电荷转移阻抗，显示出优异的倍率性能和循环稳定性

图4. TAP和TAP/Ti3C2Tx正极的电化学性能

要点三：柔性准固态Zn||TAP/Ti3C2Tx电池体现了TAP/Ti3C2Tx电池的实际应用，它可以承受各种恶劣的条件，包括钻孔、弯曲、切割和扭转

图5. TAP/Ti3C2Tx正极的储能机理

图6. 基于TAP/Ti3C2Tx正极的柔性ZIBs

总结

这项工作提供了一种拓展共轭亚胺骨架合成高性能有机正极的策略。制备了长程共轭结构的TAP作为水系ZIBs的新型有机正极，由于空间位阻效应，TAP具有选择性的H+/Zn2+储存机制。为了进一步提高TAP的电导率和结构稳定性，将Ti3C2Tx作为奇招引入TAP中，以提高TAP的电化学性能。因此，制备的TAP/Ti3C2Tx具有303 mAh g-1的高可逆容量，在1万个循环中具有显著的循环稳定性，容量保持率为81.6%。柔性准固态Zn||TAP/Ti3C2Tx电池体现了TAP/Ti3C2Tx电池的实际应用，它可以承受各种恶劣的条件，包括钻孔、弯曲、切割和扭转。因此，这项工作表明扩展共轭结构是合成新型亚胺基正极的可行策略，同时也为含有其他氧化还原中心的有机正极的发展提供了新的思路。

审核编辑：郭婷