张校刚/窦辉 AFM: 在无金属锌离子水系电池中协同质子主导存储和电子转移，实现高装载、快速率的有机阳极

开发合适的阳极材料来制造无金属锌离子电池，是解决金属锌阳极问题（如枝晶生长和副反应）的一种有前途的策略。然而，已报道的阳极材料面临着速率性能不理想、质量负荷低等缺点。本文以质子存储和电子传递的协同作用为特征，开发了一种由多壁碳纳米管（PPN-MWCNT）截留的共轭聚酰亚胺纳米复合材料，用于无金属锌离子电池中的高负载、快速率有机负极材料。具体来说，PPN中丰富的亲水活性位点和非平面共轭结构实现了以质子为主导的两步四电子存储机制，从而导致离子的快速扩散，而聚合物与MWCNT通过原位聚合实现的亲密接触则确保了良好的电荷转移和坚固的结构。因此，PPN-MWCNT电极具有较低的氧化还原电位、超高的速率性能（50 A g-1）、超强的负载能力（≈40 mg cm-2）和卓越的长期循环性（超过12 000 次循环）。更重要的是，由 PPN-MWCNT 阳极和不同阴极组装而成的完整电池具有106.4 Wh kg-1 （PPN-MWCNT//MnO2）和83.7 Wh kg-1 （PPN-MWCNT//active carbon-I2）的高能量密度，超过了已报道的大多数无金属锌离子电池。

图文简介

a ) PPN的合成过程示意图及其在无金属锌离子电池中的工作原理；b ) PPDA、NTCDA、PPN、PPN-MWCNT的红外光谱；c )固体13C NMR谱；d ) PPDA、NTCDA、PPN、PPN-MWCNT的XRD图谱。

a ) PPN-MWCNT在0.1 A g -1下的GCD曲线；b，c ) PPN-MWCNT电极中C=O变化的原位ATR FT-IR光谱；PPN-MWCNT在充放电过程中的非原位分析( d ) C 1s；d ) EPR分析；f ) XRD模式；g )固体1H谱；h ) EIS分析；I ) SEM图像；J ) PPN-MWCNT在不同电解液(插入图像: GCD曲线)中质子的贡献。

a ) PPN模型低聚物的DFT优化几何构型侧视图；b )计算的H+和Zn2+在PPN上的吸附能；c )优化的电荷密度差图案；d )不同H+配位路径下PPN的结构演化及ESP模拟；e) 计算出可能的反应路线的"G"。

a ) PPN和PPN-MWCNT的CV曲线；b ) PPN-MWCNT在不同电流密度( 0.1 ~ 50 A g-1 )下的倍率性能；c ) PPN-MWCNT在不同电流密度下的容量保持率；d )与其他报道的负极材料的容量和倍率性能的比较；e ) PPN-MWCNT在2 A g -1下的循环性能；f ) PPN-MWCNT在不同负载量下的GCD曲线；G )不同质量负载量下PPN-MWCNT的比容量和容量保持率；H )与AZIBs中其他已报道材料在不同负载量下的容量对比。

PPN-MWCNTs的电化学动力学( a ) CV曲线；b ) log i对log v作图；c，d ) PPN-MWCNT在1 ~ 10 mV s -1的电容贡献；e ) GITT曲线；f )离子在充放电过程中的扩散系数。

论文信息

通讯作者： Hui Dou, Xiaogang Zhang