基于自组装有机微纳半导体的水性可充放电池

In respect of the intermittent of renewable energy, the application of aqueous rechargeable batteries (safe and environmental friend) in large scale electrical energy storage (EES) offers a great opportunity to enhance the running reliability and stability of new energy power station. However, the inorganic battery materials are still hard to meet the basic requirement of aqueous batteries. Therefore, the self-assembled organic micro-/nano-semiconductors with electrochemical redox activity is proposed as the electrode materials for aqueous batteries, to improve the specific capacity, cycle stability, environment-friendly as well as to decrease the cost of manufacture. A series of nitrogen doped fused arenes and multi-carbonyl conjugated molecular/polymer will be designed and synthesized, subsequently self-assembled into nanostructures. The aromatic N and O atom will act as the active site for the cation storage leading to high density ion storage, as a result of revealing the correlation between battery performance and material structures. A series of in-situ or ex-situ characterizations will be performed to illustrate the ion storage mechanism, and get deep insight of the reactive site of ion intercalation, dynamic and the synergetic effect between nanostructure and electrochemical redox. This study will provide an important guide for developing organic-aqueous batteries with safety, high efficiency, stability, low cost and environmental friendly.

鉴于可再生能源获取的间歇性，安全、环保的水性可充放电池大规模应用于固定式储能系统为提高新能源电站运行的可靠性和稳定性提供了关键的解决方案。然而，现有的无机电池材料难以满足水相电池的基本要求。申请人提出了将具有电化学氧化还原活性的自组装有机微纳半导体应用于水性电池的电极材料，以提高比容量、循环稳定性和环境友好性，并降低制备成本。拟设计/合成一系列氮杂稠环和多羰基共轭分子/聚合物，并自组装其纳米结构，利用其中的芳香氮原子和氧原子作为阳离子存储位点实现高密度的离子存储，进而揭示分子结构与电池性能的构效关系；通过一系列在线或离线手段，深入表征离子插层的反应位点、动力学过程以及纳米结构对电化学氧化-还原的催化协同效应等，揭示其中的离子存储机制。该研究将为发展安全、高效、稳定、低成本且环境友好的有机-水性可充放电池提供重要的理论指导。

水系可充电电池有望成为下一代电池技术，应用于大规模分布式储能系统，然而经典插层存储的无机电极材料难以满足水系储能电池对能量密度、循环寿命与成本的应用需求。近年来蓬勃发展的有机电极材料具有独特的多电子氧化还原特性，且电子结构可设计、活性位点密度高、骨架本征柔性对各类离子电荷载体兼容性高，为新一代高性能水系储能电池的设计提供了全新的思路。然而，由于水系电解液环境的复杂性，针对性高比能有机电极材料的设计仍处于起步阶段，不同离子在有机电极的存储机制和界面动力学还不清晰，限制了有机水系电池的发展。.本项目面向未来高比能、长寿命、低成本的水系储能电池的需求，围绕有机半导体电化学氧化还原的离子-电子耦合机制，开展了有机微纳半导体水系储能电池的研究。（1）提出了基于氮杂稠环和多羰基有机/聚合物半导体的双位点分子设计策略，研究了一系列非锂阳离子电荷载体的储能性质，总结了上述材料与离子存储性能的构效关系。其中富氮稠环（二维多孔梯形聚合物）电极对质子、铵离子存储比容量分别达到357和350 mAh g-1；稠环羰基聚合物电极对钙、镁离子的存储比容量达到了110 mAh g-1，可稳定循环50000圈；富氮梯形聚合物对锌离子的存储比容量可达140 mAh g-1。（2）将有机半导体的微纳化策略应用于电极工艺中，以自组装/合成手段制备了一系列富氮稠环半导体微纳结构，显著提升了电极的各项电化学性能。（3）利用原位、离线表征手段结合理论计算揭示了电极反应的电化学机制，提出了水系电解液环境下，质子存储引发的固态电解质界面生成机制，为水系电极的稳定运行提供了全新思路。双位点富氮稠环半导体的分子设计策略和电极材料微纳结构化方案及其对各类离子的优异存储性质启发了高性能有机水系电极的设计。水分子、氢键参与的电化学多电子氧化还原机制和界面动力学的研究也将有力推动有机水系电池体系的发展。