6月23日，化学领域知名期刊Journal of the American Chemical Society在线刊发了我校化学与化工学院张凯博士团队领衔完成，题为《Lewis Acid-Induced Reversible Disproportionation of TEMPO Enables Aqueous Aluminum Radical Batteries》的研究成果，报道了团队对铝离子电池正极材料设计的新突破。该文是化学与化工学院今年3月建院以来的第一篇JACS论文；硕士研究生蒋尚旭和谢逸辉为共同第一作者，张凯博士和弗林德斯大学贾中凡教授、Michelle L. Coote教授为共同通讯作者，我校为第一完成单位。
铝电池具有理论容量高，安全性好、成本低等优点，是新一代储能技术的代表。设计和开发高比能、绿色可持续正极电极材料是构建高性能铝离子电池的关键。氮氧自由基（TEMPO）聚合物作为典型有机正极材料已被广泛应用于锂离子电池、钠离子电池、锌离子电池等电池体系，并表现出高电压、高功率、绿色可再生特性。然而，由于多数氮氧自由基在路易斯酸有机电解液中电化学氧化还原不可逆，使其无法应用于铝离子电池正极材料。例如，在酸性Al(OTf)3乙腈电解液中，TEMPO歧化成TEMPO+与 TEMPO-，而后者与Al(OTf)3配位形成稳定的[Al(OTf)3TEMPO]-络合物，其较高的氧化电位导致TEMPO电化学氧化还原不可逆而无法应用于铝电正极。
针对这一关键问题，张凯博士团队开展了TEMPO在有机和水系酸性Al(OTf)3电解液中的化学和电化学行为的系统研究；研究发现TEMPO虽然在Al(OTf)3有机溶液中的电化学氧化还原为不可逆过程，但是在Al(OTf)3水体系下可发生稳定可逆的电化学氧化还原；机理研究与计算模拟揭示：水溶液体系中的水分子或OH—可以取代[Al(OTf)3TEMPO]-络合物中的TEMPO-，形成稳定的[Al(OTf)3OH]-并在酸性条件下释放TEMPOH2+。通过TEMPOH2+和TEMPO+可逆歧化（归中反应）变回TEMPO自由基，从而促成可逆的电化学氧化还原反应过程（见图1）。该研究解决了TEMPO电极材料在Al(OTf)3路易斯酸体系中的电化学氧化还原可逆性的关键问题，并成功构筑了以经典氮氧自由基聚合物（PTMA）为正极材料的水系铝离子电池。该电池提供大于1.0V的输出平台电压和110 mAh g-1的比容量，在超过800次的充放电循环中每圈容量损失仅为0.028%，表现出具有优异的阻燃性能和空气稳定性。该研究为开发铝基高能量、功率密度动力电池及高安全性大型储能电站提供新方案。
图1.Al(OTf)3水溶液中TEMPO可逆歧化与电化学氧化还原机理以及基于PTMA正极的铝离子电池构造及性能展示。
作者简介：
张凯博士2018年于澳大利亚昆士兰大学获理学博士学位，导师为生物工程及纳米技术中心贾中凡博士及Michael Monteiro教授；2018-2020年在美国约翰霍普金斯大学开展博士后研究。2020年加入浙江理工大学化学与化工学院，任特聘副教授。主要研究领域为能源和高分子化学，研究兴趣包括铝离子电池、聚合物基柔性电池、有机水系液流电池等的机理研究和结构设计。以通讯作者/第一作者身份在J. Am. Chem. Soc., ACS Energy Lett., Energy Storage Mater., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J.等学术刊物上发表论文十余篇，受到了国内外学术界的广泛关注。
论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c04203
