实验室李远研究员团队：用于高倍率水系锌离子电池的高电子电导的稳定三苯胺酚自由基正极材料

随着全球对锂资源依赖程度的不断加深，锂离子电池所面临的成本压力和环境挑战日益突出。水系锌离子电池（ZIBs）凭借锌资源丰富、理论比容量高以及安全性好等优势，成为一种极具前景的替代储能技术。然而，传统无机电极材料存在锌离子扩散动力学缓慢、容量衰减快等问题，限制了其实际应用。有机材料因其结构可调控、成本低廉、环境友好等特点，逐渐成为电极材料研究的热点方向。本研究聚焦于一种新型有机自由基正极材料——三苯胺酚自由基（TPA-O3），并系统评估了其在水系锌离子电池中的应用潜力。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室李远研究员团队成功开发出一种新型芳香化硝酸自由基正极材料TPA-O3。该材料以廉价原料为基础，通过两步简便高效的合成路线实现了材料的大量制备。TPA-O3表现出优异的电化学稳定性，电子电导率高达3.35×10⁻⁴ S cm⁻¹。其还原电位约为1.0 V，且在5 A g⁻¹的高电流密度下循环2000次后，容量保持率仍高达95.87%，性能显著优于现有报道的多数有机自由基正极材料。此外，研究团队借助电子自旋共振（ESR）和X射线光电子能谱（XPS）等表征手段，深入揭示了TPA-O3在充放电过程中的三电子转移机制及锌离子的可逆存储行为，为高性能水系锌离子电池正极材料的设计提供了全新的自由基分子策略。

在本研究中，研究团队首次将TPA-O3作为水系锌离子电池的有机自由基正极材料进行系统研究。该材料可通过简单加热其前驱体TPA-(OH)3高效制备，具备良好的合成效率与成本优势。电化学测试结果表明，TPA-O3在0.5 mV s⁻¹的扫描速率下展现出约1.0 V的高还原电位，明显高于多数醌类正极材料。同时，在5A g⁻¹的高倍率条件下，TPA-O3经过2000次循环后容量保持率仍达95.87%，表现出卓越的循环稳定性和倍率性能。研究团队进一步通过ESR和XPS等手段，深入探究了TPA-O3在充放电过程中的反应机制。结果表明，TPA-O3在充放电过程中始终保持氮正离子自由基结构，实现了高效的三电子转移反应机制。此外，XPS结果还揭示了锌离子在电极材料中的可逆嵌入/脱出过程，进一步验证了TPA-O3作为水系锌离子电池正极材料的可行性与优势。本研究不仅提出了一种低成本、高性能的有机自由基正极材料，还为未来水系锌离子电池的发展提供了有潜力的自由基分子设计策略。

图.TPA-O3正极材料的充放电机理和5A·g-1下材料的长循环测试

相关研究成果以“Stable Triphenolamine Radical Cathode with HighElectron Conductivity for High-Rate Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题发表在ACS AppliedMaterials & Interfaces上，其中通讯作者为李远研究员和韩翠平教授，黄嘉兴博士生和李美霖为共同第一作者。该研究工作得到了中国自然科学基金(51973063,22279160和22375065）等科研项目的资助。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.5c01552