[论文解读] A salt water battery with high stability and charging rates made from solution processed conjugated polymers with polar side chains

Davide Moia, Alexander Giovannitti+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2017

Advanced Battery Materials and Technologies参考文献 39被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于水的电池，采用溶液法制备的具有极性侧链的共轭聚合物作为正极和负极材料。通过引入乙二醇和两性离子侧链，聚合物实现了快速离子传输和高电子电导率，实现了稳定循环（超过1000次循环，容量衰减小于30%）和优异的充电速率（超过1000 C率），输出电压达1.4 V。

ABSTRACT

We report a neutral salt water based battery which uses p-type and n-type solution processed polymer films as the cathode and the anode of the cell. The specific capacity of the electrodes (approximately 30 mAh cm-3) is achieved via formation of bipolarons in both the p-type and n-type polymers. By engineering ethylene glycol and zwitterion based side chains attached to the polymer backbone we facilitate rapid ion transport through the non-porous polymer films. This, combined with efficient transport of electronic charge via the conjugated polymer backbones, allowed the films to maintain constant capacity at high charge and discharge rates (>1000 C-rate). The electrodes also show good stability during electrochemical cycling (less than 30% decrease in capacity over >1000 cycles) and an output voltage up to 1.4 V. The performance of these semiconducting polymers with polar side-chains demonstrates the potential of this material class for fast-charging, water based electrochemical energy storage devices.

研究动机与目标

• 开发一种使用丰富、无毒材料的可持续水基电池，以替代锂离子电池系统。
• 解决共轭聚合物电极中离子传输缓慢的问题，该问题限制了充电速率。
• 通过设计具有增强电化学稳定性的聚合物薄膜，克服水系电池中的不稳定性问题。
• 在中性盐水电解质中，利用可溶液加工的材料实现高倍率性能。
• 在全水性、低成本电池系统中，实现长期循环稳定性和高电压输出。

提出的方法

• 合成具有乙二醇和两性离子侧链的p型和n型共轭聚合物，以增强非多孔薄膜中的离子传输性能。
• 采用溶液加工技术（如旋涂）制备正负极的薄而均匀的聚合物薄膜。
• 设计极性侧链，以在无孔聚合物基质中实现Na+和OH-离子的快速传输。
• 利用共轭主链实现高效的电子电荷传输，从而实现高电流密度。
• 在中性NaCl水性电解质中，利用这些聚合物电极构建全电池。
• 通过恒电流充放电循环、循环伏安法和电化学阻抗谱表征电化学性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有极性侧链的共轭聚合物是否能在非多孔、溶液加工的薄膜中实现水系电池中的快速离子传输？
• RQ2 使用这些工程化聚合物的水基电池可实现的最大充电速率是多少？
• RQ3 在中性水性电解质中，电极材料在长时间电化学循环下的稳定性如何？
• RQ4 双极化子形成与极性侧链的结合能否实现高比容量和高电压输出？
• RQ5 侧链化学和聚合物结构在多大程度上影响倍率性能和循环寿命？

主要发现

• 通过p型和n型材料中的双极化子形成，聚合物电极实现了约30 mAh cm⁻³的比容量。
• 该电池在充电和放电速率超过1000 C率时仍保持恒定容量，表现出卓越的倍率性能。
• 电极在超过1000次充放电循环后表现出优异的长期稳定性，容量衰减小于30%。
• 全电池在中性盐水（NaCl）电解质中实现了高达1.4 V的稳定输出电压。
• 极性侧链（乙二醇和两性离子）实现了非多孔聚合物薄膜中的快速离子传输，克服了聚合物基电池中的关键限制。
• 可溶液加工的共轭聚合物与工程化侧链的结合，实现了高性能，而无需多孔结构或复杂架构。