Synthesis and Investigation of Quinone-Pyrrole Polymeric Materials for Zinc-Ion Batteries

Abstract

Fosil yakıtların günümüzde yaygın kullanımı çevre üzerinde yıkıcı bir etkiye sahiptir. Bu durum, çevre dostu alternatif enerji kaynaklarının benimsenmesini zorunlu kılmıştır. Çinko-iyon piller, bu bağlamda önemli potansiyele sahip, gelişmekte olan yeni bir enerji depolama sistemi sınıfını temsil etmektedir. Bununla birlikte, bu teknolojiyi ilerletmekteki büyük zorluk, Zn2+ iyonlarını verimli ve geri dönüşümlü olarak barındırabilen katot malzemeleri geliştirmektir. Kinon bazlı konjuge polimerik malzemeler, redoks aktif yapıları, kolayca değiştirilebilen yapıları ve güçlü kimyasal ve termal kararlılıkları nedeniyle çinko-iyon pilleri için mükemmel katot seçenekleridir. Bu çalışmada, çinko-iyon pilleri (ÇİP'ler) için katot malzemeleri olarak kinon-pirol konjuge polimerik malzemeler (QRP'ler) sentezlendi. QRP'lerin içsel özellikleri, redoks merkezlerine etkili Zn2+ difüzyonunu kolaylaştırarak uzun vadeli döngü kararlılığını sağlar. QRP-1 ve QRP-2 sırasıyla 0.1 mA g-1 akım yoğunluğunda 180 mA h g-1 ve 134 mA h g-1 deşarj kapasitesi gösterdi. QRP'ler, 2.0 A g-1 akım yoğunluğunda 10000 döngü boyunca olağanüstü döngü kararlılığı göstererek, QRP-1 ve QRP-2 için sırasıyla 42 mA h g-1 ve 104 mA h g-1 olmak üzere oldukça yüksek final kapasiteleri elde edildi. Bu çalışmanın, kinon bazlı konjuge polimerik malzemelerin çinko-iyon piller için etkili katot malzemeleri olarak potansiyelini gösterdiğine ve enerji depolama alanında çalışan araştırmacılarının dikkatini çekeceğine inanıyoruz.

The widespread use of fossil fuels today has a devastating effect on the environment. This situation necessitates the adoption of environmentally friendly alternative energy sources. Zinc-ion batteries represent a new, developing class of energy storage systems with significant potential in this regard. However, a major challenge in advancing this technology is developing efficient and reversible cathode materials that can accommodate Zn2+ ions. Quinone-based conjugated polymeric materials are excellent cathode choices for zinc-ion batteries due to their redox-active structures, easily modifiable structures, and strong chemical and thermal stability. This study synthesized two quinone-based redox-active polymers (QRPs) as cathode materials for zinc-ion batteries (ZIBs). The inherent properties of QRPs ensure effective Zn2+ diffusion into their redox centers, guaranteeing long-term cycling stability. QRP-1 and QRP-2 cathodes delivered discharge capacities of 180 mA h g-1 and 134 mA h g-1, respectively, at 0.1 mA g-1. Remarkably, QRPs maintained long-term cycling stability at 2.0 A g-1 over 10000 cycles, with final specific capacities of 42 mA h g-1 for QRP-1 and 104 mA h g-1 for QRP-2. We believe that this work demonstrates the potential of quinone-based conjugated polymeric materials as effective cathode materials for zinc-ion batteries and will attract the attention of energy storage researchers.