隨著太陽能、風(fēng)能等可再生能源利用率不斷提高，開發(fā)低成本、高性能的可充電儲能電池成為世界追逐目標。鋅價格低廉，每克理論容量高達820毫安時，且具有良好的水兼容性和穩(wěn)定性，適合大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，因此可充電水系鋅電池應(yīng)用前景廣闊。然而水系鋅電池發(fā)展一直受制于正極材料可選種類少、鋅脫嵌動力學(xué)慢等難題困擾。
有機醌類化合物在自然界中無處不在，研究人員已從植物、真菌、海洋動物和昆蟲中發(fā)現(xiàn)了超過2400種的醌類。發(fā)展基于非脫嵌反應(yīng)機制和多電子轉(zhuǎn)移新型有機醌類電極材料對提升鋅電池容量和循環(huán)穩(wěn)定性具有重要意義。
目前，電活性醌電極一般使用有機電解質(zhì)，根據(jù)相似相容原理，醌類化合物易溶解于有機溶劑，帶來活性物質(zhì)損失和電池壽命短等難題。陳軍院士團隊多年來一直致力于有機醌類電極材料設(shè)計、制備和應(yīng)用，他們利用電解質(zhì)改性、聚合、鹽化、負載等方法，不僅提高了醌類的容量保持率，還通過合理結(jié)構(gòu)設(shè)計將醌類化合物作為正極應(yīng)用于了可充水系鋅電池，首次獲得了335毫安時每克的比容量，充放電平臺電壓差低至70mV，能量效率高達93%，并且循環(huán)1000次之后，電池容量保持率仍為87%，電池循環(huán)穩(wěn)定性可媲美無機電極材料。該團隊研制的有機水系鋅電池能夠提供220瓦時每公斤的能量密度，遠超當(dāng)下普遍使用的水系鉛酸電池，與目前商業(yè)化的鋰離子電池相當(dāng)。由于水系鋅電池具有能量密度高、安全可靠、成本低廉、綠色環(huán)保等優(yōu)點，也為未來電動汽車、規(guī)模儲能等重大應(yīng)用提供了新選擇。
