Synthesis of Quinone-Based Porous Organic Polymers and Their Usage in Aqueous Zinc-Ion Batteries

Abstract

Sulu çinko iyon piller (SÇİP'ler) güncel olarak enerji depolama alanında potansiyeli yüksek ve gelişime açık piller arasında yer almaktadır. Özellikle şebeke ölçekli uygulamalar için, diğer metal-iyon bataryalara göre SÇİP'lerin potansiyeli yüksek enerji yoğunluğuna sahip olmaları, doğadaki çinko metalinin bolluğu, güvenlikli yapıları ve uygun fiyatlı olmaları gibi birçok parametreye bağlıdır. Sulu çinko-iyon pillerin yüksek ölçekli uygulamalarda kullanılamamalarının en önemli sebebi yüksek performans gösteren katot malzemelerinin tasarımının kısıtlı olmasıdır. Gözenekli organik polimerler (GOP'lar), ayarlanabilir gözenek yapıları, yüksek yüzey alanlarına sahip olmaları ve işlevselleştirilebilir olmalarıyla, son yıllarda SÇİP'ler için katot malzemesi olarak geliştirilen bir polimer sınıfıdır. Bu çalışmada sulu çinko iyon pillerde katot malzemesi olarak elektrokimyasal performansı incelenmek için redoks aktif özellik gösteren kinon bazlı iki farklı polimer tasarlanmış ve sentezlenmiştir. Bu çalışmanın amacı, polimerlere redoks aktif özellik katan kinon gruplarının polimer üzerinde konumlanma pozisyonlarının elektrokimyasal performanslarına nasıl etki ettiğinin incelenmesidir. Bu bağlamda redoks-aktif kinon gruplarının para ve orto pozisyonlarında bağlandığı iki farklı polimer tasarlanıp sentezlenmiştir. Bu polimerlerin karakterizasyonları gerçekleştirilmiş ve temel elektrokimyasal testleri yapılmıştır. Her iki polimerin de geri dönüşümlü Zn2+ difüzyon mekanizmasını incelemek için farklı tarama hızlarında döngüsel voltametre (CV) analizi gerçekleştirilmiştir. Polimerlerin yük depolama kapasitelerini ölçmek için farklı akım yoğunluklarında Galvanostatik şarj/deşarj döngüleri incelendi. p-rGOP 0.1 A g-1 da 1.7 mAh g-1 deşarj kapasitesi göstermiş olup, o-rGOP ise aynı akım yoğunluğunda 1.2 mAh g-1 deşarj kapasitesi göstermiştir. Bu sonuçlar her iki polimerin de SÇİP'lerde kullanılmak için uygun katot malzemeleri olmadığı göstermektedir. Bu nedenle sentezlenen polimerlerin ileriki çalışmalarda diğer metal-iyon pillerde katot malzemesi olarak test edilmesi planlanmaktadır.

Aqueous zinc-ion batteries (AZIBs) have great potential to gain a place in energy storage. Their high energy density, safety, cost-effectiveness, and natural abundance of zinc metal are why they are considered a promising battery technology over other metalion batteries. Designing high-performance cathode materials is the main challenge of AZIBs for large-scale applications. Porous organic polymers (POPs) are the newly developing cathode materials for AZIBs due to their high surface area, tunable pore structure, and functionalization. In this study, different quinone-functionalized redoxactive organic polymers were designed and synthesized to examine their electrochemical properties in AZIBs. The main purpose of this study is to investigate the effect of the redox-active pendant group (quinone for this work) positions on the electrochemical performance. Two redox-active polymers were synthesized in this context, and quinone groups were placed in para (p-rPOP) and ortho (o-rPOP) positions. Polymers were characterized, and electrochemical tests were performed. Cyclic voltammetry (CV) tests were collected at different scan rates for both polymers to prove the reversibility of Zn2+ ion insertion. Galvanostatic charge/discharge curves gave information about the charge storage capacity of redox-active organic.polymers. However, both polymers showed low electrochemical performance as cathode materials in AZIBs. o-rPOP and p-rPOP revealed the discharge capacity of 1.2 mAh g-1 and 1.7 mAh g-1 at a current density of 0.1 A g-1, respectively. These findings suggest that these polymers may not be suitable for use as cathodes in aqueous zinc-ion batteries. Therefore, it is planned to test them in different organic metal-ion batteries in future studies.