水系金屬空氣電池(Al, Mg, Fe, Zn, etc.)雖然具有很高的能量密度，但金屬陽極側(cè)的枝晶、鈍化和腐蝕等系列問題，會(huì)造成金屬陽極利用率低，循環(huán)穩(wěn)定性差。

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有機(jī)聚合物電極材料由來已久，例如共軛醌類聚合物具有高容量、資源豐富、成本低、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用作鋰、鈉離子電池的正極材料。但是，有機(jī)聚合物材料的導(dǎo)電性很差，作為空氣電池的陽極的難度較高。

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近日，南開大學(xué)陳軍院士團(tuán)隊(duì)以醌類聚合物poly(1,4-anthraquinone)復(fù)合碳納米管為陽極(P14AQ/CNT)，以尖晶石鈷錳氧化物為空氣陰極(CMO@CNT)，以6.0 M KOH為電解質(zhì)，開發(fā)出新型水系聚合物空氣電池。

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作者以1,4-二氯蒽醌(1,4-DCAQ)為單體進(jìn)行聚合，通過一步縮聚反應(yīng)得到P14AQ與CNTs的復(fù)合材料，CNTs的含量?jī)?yōu)選為30%。

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純P14AQ的粒徑在1–5 μm，P14AQ/CNT的粒徑小于200 nm。

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密度泛函DFT計(jì)算：CNTs的直徑為5～6 nm，性質(zhì)與石墨烯類似，因此可以用石墨烯模擬代替CNTs以計(jì)算P14AQ的吸附構(gòu)型。可以看到P14AQ的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變形，表明P14AQ與碳納米管之間存在著強(qiáng)相互作用。

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電化學(xué)性能：P14AQ/CNT的氧化電位為?0.77 V，還原電位為?0.804 V。在1 A g^?1電流密度下100圈循環(huán)后的容量為247 mAh g^?1，容量保留率為96%。P14AQ/CNT和P14AQ的斜率b_R分別為0.981和0.929，表明其贗電容行為。P14AQ/CNT具有超高的倍率性能，即便在288.5 C (1 C為260 mA g^?1)，容量仍有245 mAh g^?1。CMO@CNT陰極性能高于Pt/C催化劑。

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原位FTIR探究反應(yīng)機(jī)理：C=O鍵的峰強(qiáng)度在充電時(shí)下降，放電時(shí)上升，表示P14AQ發(fā)生著氧化還原反應(yīng)；XPS也可證明這一點(diǎn)。

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P14AQ/CNT-Air紐扣全電池：電流密度為1 C時(shí)，電池放電容量為253 mAh g^?1，即便在38.5 C下，電池容量仍具有147 mAh g^?1。以P14AQ計(jì)算出的能量密度為171 Wh kg^?1，以CMO@CNT空氣陰極計(jì)算出能量密度為2242 Wh kg^?1，以P14AQ和CMO總質(zhì)量計(jì)算出的能量密度為165 Wh kg^?1。

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該工作以“Rechargeable Aqueous Polymer-Air Batteries Based onPolyanthraquinone Anode” 為標(biāo)題于2019年6月27日發(fā)表在國(guó)際頂刊Chem上。

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Rechargeable Aqueous Polymer-AirBatteries Based on Polyanthraquinone Anode. (Chem, 2019，DOI: 10.1016/j.chempr.2019.06.001)

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.06.001