Design and synthesis of anthracenetetrone-based redox-active porousorganic polymer as a cathode material for zinc-ion batteries

Abstract

Aqueous zinc ion batteries (AZIBs) are a new class of energy storage devices with significant potential for large-scale applications. However, developing suitable cathode materials that can efficiently and reversibly accommodate Zn2+ ions remains a key obstacle in advancing this technology. Porous organic polymers (POPs) are materials characterized by their interconnected network of pores at the molecular level. These versatile polymers exhibit unique properties such as high surface area, tunable porosity, and diverse functionality. POPs hold great potential for various technological advancements, and recently, they have attracted significant interest in energy storage applications due to their exceptional physical and chemical properties, which endow structural durability and electrochemical superiority. In this study, we reported the synthesis of a new redox-active quinone-rich porous organic polymer (rPOP) as a cathode material for AZIBs. The highly porous nature of rPOP enables successful Zn2+ diffusion into the redox centers. The structural durability of the polymeric materials provides ultra-long cycle life. The cell containing rPOP cathode delivered a discharge capacity of 120 mA h g-1 at a current density of 0.1 mA g1 . Most importantly, the rPOP revealed extraordinary cycling stability at 1.0 A g-1 for 10000 charge/discharge cycles and at 2.0 A g-1 for 30000 charge/discharge cycles with capacity retentions of %95 and %66, respectively. The detailed investigation of the charge storage behavior of rPOP cathode, using ex/in-situ analysis, revealed that H+ acts as a secondary charge carrier along with the Zn2+, contributing to 17% of the overall capacity. This study demonstrates the effective utilization of POPs as a cathode material for AZIBs, and we believe that it will attract the attention of researchers in the energy storage field.

Sulu çinko iyon piller (SÇİP), büyük ölçekli uygulamalar için önemli potansiyele sahip yeni bir enerji depolama cihazları sınıfıdır. Bununla birlikte, Zn2+ iyonlarını verimli ve tersine çevrilebilir şekilde barındırabilen uygun katot malzemelerinin geliştirilmesi, bu teknolojinin ilerlemesinde önemli bir engel olmaya devam etmektedir. Gözenekli organik polimerler (GOP'lar), moleküler düzeyde birbirine bağlı gözenek ağları ile karakterize edilen malzemelerdir. Bu çok yönlü polimerler, yüksek yüzey alanı, ayarlanabilir gözeneklilik ve çeşitli işlevsellik gibi benzersiz özellikler sergiler. GOP'lar yapısal dayanıklılık ve elektrokimyasal üstünlük sağlayan olağanüstü fiziksel ve kimyasal özellikleri nedeniyle enerji depolama uygulamalarında önemli ilgi çekmektedir. Bu çalışmada, SÇİP'ler için katot malzemesi olarak yeni bir redoks aktif kinon açısından zengin gözenekli organik polimerin (rPOP) sentezini bildirdik. rPOP'un oldukça gözenekli yapısı, redoks merkezlerine başarılı Zn2+ difüzyonunu mümkün kılar. Polimerik malzemelerin yapısal dayanıklılığı, ultra uzun çevrim ömrü sağlar. rPOP katodunu içeren hücre, 0.1 mA g-1 akım yoğunluğunda 120 mA h g-1 deşarj kapasitesi verdi. En önemlisi, rPOP, sırasıyla %95 ve %66 kapasite korumalarıyla 1.0 A g-1 de 10 000 şarj/deşarj döngüsü için ve 2.0 A g-1 de 30 000 şarj/deşarj döngüsü için olağanüstü döngü kararlılığı ortaya koydu. Ex/in-situ analizi kullanılarak rPOP katodunun yük depolama davranışının ayrıntılı araştırması, H+'nın Zn2+ ile birlikte ikincil yük taşıyıcısı olarak davrandığını ve genel kapasitenin %17'sine katkıda bulunduğunu ortaya çıkardı. Bu çalışma, GOP'ların AZIB'ler için bir katot malzemesi olarak etkin bir şekilde kullanıldığını göstermektedir ve enerji depolama alanındaki araştırmacıların ilgisini çekeceğine inanıyoruz.