有机材料由天然丰富的元素（C，H，O，N，S等）组成，具有资源可再生性、结构多样性和设计灵活性等优点，将其用于水系锌离子电池正极表现出良好的应用前景。但通常有机材料导电性差、小分子有机物易溶解于电解液等问题，导致电池的循环稳定性差和容量衰减严重。中国科学院深圳先进技术研究院/深圳理工大学（筹）成会明院士和韩翠平副研究员，对有机电极材料进行深入研究，发现π电子共轭的氮杂芳环有机材料（HATN-PNZ）具有大量活性位点和较强的电化学稳定性，可有效提升锌-有机电池的电化学性能。这种采用脱水缩合反应策略制备的大π电子共轭的氮杂芳环结构不仅解决了有机物的溶解性问题，还可促进离域电子在有机分子内部的传输，从而使得该锌-有机电池的倍率性能和循环性能得到了很大的提升。在三电极体系中，50 A g-1的电流密度下，可稳定循环45000圈，库伦效率接近100%。其成果以题为“Design and Synthesis of a π-conjugated N-heteroaromatic Material for Aqueous Zinc-Organic Batteries with Ultrahigh Rate and Extremely Long Life”在国际知名期刊 Advanced Materials上发表。本文第一作者为李森林博士后，通讯作者为成会明院士和韩翠平副研究员，通讯单位为中国科学院深圳先进技术研究院/深圳理工大学（筹）。
1) 成功合成了一种新型的具有低HOMO和LUMO能量差的π电子共轭氮杂芳环有机材料，并将其成功应用于锌-有机电池的正极。
2) 氮杂芳环结构的延展抑制了有机材料在水中的溶解，增大了离域电子在有机分子中的运动范围，有利于电子在分子内部的传输，提升了有机材料整体的导电性。
3) 采用原位拉曼，阻抗，pH监测和非原位XRD、XPS、SEM、IR等手段证实了充放电过程中Zn2+和H+共嵌入机理，且伴随着有机正极界面碱式硫酸锌的生成和消逝。
图1. HATN-PNZ材料的合成及表征
采用冷凝回流法将环己六酮（C6O6）和2,3-二氨基吩嗪（DAP）脱水缩合策略制备了一种新型大π电子共轭的氮杂芳环有机材料（HATN-PNZ）（图1a），采用核磁共振、元素分析、XRD、红外、热重、SEM和TEM等表征手段对反应提纯后产物进行表征分析（图1b-h），表明成功合成了目标产物HATN-PNZ。
a)多圈循环伏安曲线；b) 恒电流充放电曲线；c-d) 倍率性能测试；e) 不同电流密度下容量保持率对比分析；f) HATN-PNZ正极材料长循环性能测试；吩嗪（PNZ）和HATN-PNZ材料的g) 表面静电势（ESP）及h）最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占分子轨道(LUMO)能量差（ΔE）对比分析。
通过倍率性能测试，可以发现HATN-PNZ材料相比于PNZ具有更优异的倍率性能，而且HATN-PNZ材料在大电流50 A g-1的充放电条件下，可以稳定循环45000圈，容量衰减率仅为0.14%。通过理论计算对比分析发现，HATN-PNZ材料的LUMO值（-3.95 eV）低于PNZ的-2.34eV，表明HATN-PNZ具有更强的电子亲和能力和更高的还原电势。同时，HATN-PNZ材料的ΔE更小，表明HATN-PNZ材料的电子导电能力优于PNZ。这也证明了增大氮杂芳环的π电子共轭，可有效提升材料的电子导电能力。
图3. HATN-PNZ材料的反应动力学分析
a) 不同扫速下HATN-PNZ材料的循环伏安曲线；b) CV曲线峰电流和扫速之间的对数关系：log i – log v ；c) 归一化容量和扫速v-1/2之间的关系；d) 氧化还原峰位移和扫速log (
)之间的关系；e) GITT曲线和f) 充放电过程中反应电阻变化。
为了进一步探究HATN-PNZ材料的反应动力学，我们对其在不同扫速（0.2~100 mV s-1）下的循环伏安曲线进行分析（图3a）。图3b显示HATN-PNZ材料的氧化还原峰的b值接近于1，表明体系中离子的插入和拔出是由电容贡献控制的，因此可以高倍率充放电。同时，容量（Q）和扫速（v）曲线显示（图3c）：在区域1（v <20 mV s-1），容量几乎与扫描速率无关，进一步确定电容控制是倍率的限制步骤；在区域2（20< v <100 mV s-1），容量直线下降，表明在高倍率下容量主要由扩散控制。因此，赝电容主导的电化学过程赋予了HATN-PNZ超快的动力学行为。图3d显示在扫速低于10 mV s-1时，氧化还原峰只显示出微小的移动（< 0.1 V），证明HATN-PNZ材料具有快速离子存储和高功率的特性。GITT曲线和反应电阻，表明在放电过程中电阻逐渐增大，在充电过程中电阻逐渐减小（图3e-f）。
图4. 电荷存储机理1–探究表面物质结构变化及电化学阻抗
采用a）非原位XRD、b）原位拉曼、c）原位电化学阻抗测试在充放电反应过程中电极界面物质变化及电化学阻值变化
采用非原位XRD对充放电过程中极片表面生成物质进行物相分析，发现在放电的过程中伴随着碱式硫酸锌的生成；在充电的过程中，碱式硫酸锌消逝；在原位拉曼分析中，也得出了相同的结论。原位电化学阻抗数据表明在放电的过程中电池内部电阻增大，而充电过程中，电池的内阻减小，这主要是因为放电的过程中正极界面伴随着碱式硫酸锌的生成，阻碍离子的运输，界面电阻增大；但在充电的过程中，碱式硫酸锌逐渐消融，界面离子运输通道恢复，电池内阻变小。
图5. 电荷存储机理探究2-原位pH监测和界面SEM形貌观察
a）原位pH测试装置和反应过程；b）HATN-PNZ正极在充放电的过程中电极界面pH变化曲线；c）充放电过程中极片表面非原位SEM观察；d）放电后HATN-PNZ正极的TEM表征和EDS元素分析。
为了进一步探究电极表面碱式硫酸锌的生长机制，我们设计了原位pH监测装置，测试充放电过程中正极界面上的pH变化，发现在放电的过程中，电压范围在1.6~0.8 V (vs.Zn/Zn2+)区间内，pH保持恒定，证明锌离子优先插入；电压范围在0.8~0.65 V (vs.Zn/Zn2+)区间内，pH值快速增大，当电压在0.65~0.01 V (vs.Zn/Zn2+)时，pH值保持恒定在5.5左右，这直接证明氢离子后插入电极材料。由于溶液中质子的消耗，导致溶液的pH上升。通过非原位SEM也可以直接观察到碱式硫酸锌在放电的过程中生成，充电的过程中消融的规律。通过TEM和EDS表征放电后的正极极片活性材料显示，C，N，Zn元素分布均匀，表明Zn元素插入到了HATN-PNZ材料内部，同时可以观察到片状的碱式硫酸锌在电极表面生成。
图6. 电荷存储机理探究3-非原位XPS和离子嵌入过程
充放电过程中HATN-PNZ电极极片上 a）N，b）Zn 和 c）S元素非原位XPS表征以及 d）极片中Zn元素的含量变化；e）在放电过程中HATN-PNZ材料的结构演变图。
进一步采用非原位XPS来表征HATN-PNZ材料在充放电过程中的结构演变。通过N元素的XPS谱图可以看出，在放电的过程中C=N键（398.8 eV）逐渐转变成C-N键（401.1 eV），在充电的过程中，C=N键的峰又重新出现了，这也表明了Zn2+/H+的可逆插入和脱出。采用XPS定量分析HATN-PNZ电极上锌元素的含量，表明在放电的过程中，在电压为0.7 V (vs. Zn/Zn2+)时，锌元素的含量迅速增加到17.3%；到0.1 V (vs. Zn/Zn2+)时，锌元素的含量到达峰值为19.7%。同时，采用DFT理论计算表明，在放电的过程中，Zn2+和H+的可能嵌入顺序是：Zn2+首先在活性位点2插入，然后H+的在活性位点1插入。
作者设计合成了一种新型的π共轭的氮杂芳环结构有机材料（HATN-PNZ）用于高倍率长循环水性锌-有机电池正极。芳环延展后的大π共轭结构可以有效增加电子离域面积，减小有机分子HOMO和LUMO之间的能量差，提高分子内的电子传输能力。同时，聚合后的分子结构，能够抑制有机材料在水中的溶解。因此，HATN-PNZ为正极的水系锌离子电池具有超高倍率性能和超长循环寿命。此外，反应动力学分析显示，该电池的氧化还原赝电容主导现象和Zn2+/H+共存储机制，使得电池实现了优良的功率密度和能量密度。我们相信，我们的研究表明水性ZIBs在分布式储能及电网级储能中会有巨大的潜在应用前景。
Design and Synthesis of a π-conjugated N-heteroaromatic Material for Aqueous Zinc-Organic Batteries with Ultrahigh Rate and Extremely Long Life, 2022, DOI：10.1002/adma.202207115
Senlin Li, Jian Shang, Meilin Li, Minwei Xu, Fanbin Zeng, Hang Yin, Yongbing Tang, Cuiping Han,* Hui-Ming Cheng*
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202207115
韩翠平，博士毕业于清华大学，并先后在美国佐治亚理工学院、香港中文大学、深圳大学、香港城市大学从事研究工作，2021年7月加入中国科学院深圳理工大学（筹）任助理教授/副研究员。主要围绕水系多价离子电池及其关键材料开展研究，包括新型有机电极材料、高性能电解质、电池结构设计与性能优化等。迄今出版专著1部（清华大学优秀博士学位论文），英文章节3章，发表SCI论文70篇，h-index为34，论文总引用5000余次（谷歌学术），其中第一作者/通讯作者论文39篇，包括Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Energy Storage Mater.、Nano Energy等；入选香江学者，2019年Journal of Materials Chemistry A新锐科学家专刊，担任《Rare Metals》、《Materials Research Letters》期刊青年编委，并主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市基础研究项目、中国博士后基金等项目，长期招聘水系电池方向博士后。
成会明院士，国际知名碳材料科学家、中科院院士、发展中国家科学院院士。现任中国科学院深圳理工大学（筹）材料科学与工程学院名誉院长、碳中和技术研究所所长，中科院金属所沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部主任,清华大学深圳国际研究生院杰出客座教授。主要从事碳纳米管、石墨烯、能量转换和储存材料等研究，已获得发明专利150多项，以石墨烯、六方氮化硼和电池材料等技术发起成立了多家高技术公司。在国内外学术会议上做特邀报告190多次，发表论文860余篇（H因子140，被引用超过14万次），是化学和材料两个领域国际高被引科学家，相关成果获国家自然科学二等奖3项，并获得了何梁何利科学与技术进步奖、美国Charles E. Pettinos奖、德国Felcht奖、美国ACS Nano讲座奖等奖励。曾任《Carbon》（碳）副主编、《新型炭材料》主编，现任《Energy Storage Materials》（储能材料）创刊主编、《Science China Materials》（中国科学-材料）副主编。
一、招聘岗位：博士后
（1）岗位要求
1）具有材料及电化学相关专业博士学位；
2）熟悉储能、催化相关材料及器件的制备及分析表征方法，包括但不限于以下方向：先进电池体系研究（锂/钠/钾/锌离子电池）；先进表征手段及其在储能领域的应用研究；计算、电催化材料及相关专业；有机合成等。
（2）任职要求
1）已取得国内外知名高校博士学位或已通过博士学位答辩者；
2）年龄小于35周岁，博士毕业不超过3年，未在广东省从事过博士后工作；
3）具有独立科研和撰写学术论文能力，发表过高水平学术论文；
4）可独立开展科研工作，英语读写流利，团队合作意识强，认真负责的工作态度，积极创新的科研热情；
5）能尽快到岗者优先。
（3）福利待遇
1.提供有竞争力的薪酬，并每年根据工作表现上调绩效工资；薪酬待遇综合总年薪约30-60万（其中含省补贴15万、市补贴6万）；
2.享受国家规定的节假日、五险一金、免费年度体检、过渡性员工宿舍、10天起带薪年假、工作餐费补贴以及户口和子女入园/学等参照单位相关规定执行；
3.单位提供平台与人力支持，申报市、省、国家级人才项目；
4.鼓励申报博士后科学基金资助（自然科学资助标准为一等12万，二等8万元;社会科学资助标准一般为一等8万，二等5万）；
5.在站期间，符合条件的可竞争性申报国家“博新计划”（国家给予每人两年63万元的资助，其中40万元为博士后日常经费，20万元为博士后科学基金，3万元为国际交流经费）、博士后国际交流计划引进项目（40万/2年）、广东省青年优秀科研人才国际培养计划（40万/2年）以上项目不予广东省日常经费及深圳市生活补贴兼得；
6.在站期间，符合T200高校排名的海外博士后可竞争性申报广东省海外博士后人才支持项目（在站60万/2年，出站留粤住房补贴40万，总额100万）以上项目不与广东省日常经费及深圳市生活补贴兼得；
7.出站后留深签约3年工作劳动合同，可申请深圳市博士后出站留（来）深科研资助30万（每年10万共计3年）；
8.博士后在站工作期间计入我院工龄，可参加院职称评定，享受员工同等的福利待遇，出站优先留院工作。
9.博士后人员与正式员工同等享有年度考核奖金、年终奖金、横向课题奖励、专利申请奖励及伙食补贴等福利待遇；
10.入站后协助申请深圳市新引进人才租房补贴待遇3万元/人；
11.工作优秀者直接推荐评副研究员；
12.符合条件可推荐申请中科院特别研究助理项目，30万元/年，共两年；
注：政府人才补贴具体随政策变化而调整
二、招聘岗位：联合培养博士、硕士生
招收联培在读博士、硕士研究生，开展电化学能源方面的研究，推进课题研究进展的同时实现个人科研能力的提升。
（1）基本要求
研究生在读（硕士生博士生均可），征得导师及所在院系许可，实习时间至少一年；
（2）条件及待遇
1、报销报到的单程交通费（从学校至我院硬卧标准内，实报实销）;
2、每月提供生活补贴；
3、免费提供学生宿舍；
4、每个工作日享受餐补28元；
5、购买意外、住院和重大疾病保险；
6、参与国家、省、市等科研项目，提供国内一流的科研辅助和支持，支持发表高水平论文；
7、优秀客座学生毕业后可申请我院正式员工岗位，或推荐申请攻读国科大博士/澳大联培博士/宁波诺丁汉大学联培博士或提供导师的推荐信。
有意申请者请将个人简历以邮件方式发送至cp.han@siat.ac.cn，简历及邮件标题注明“应聘岗位名称-学校名称-专业-姓名”。
地址：深圳市南山区西丽深圳大学城学苑大道1068号
网址：www.siat.ac.cn
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