近年來(lái)，我?；膶W(xué)院楊應(yīng)奎教授團(tuán)隊(duì)在聚合物基能源材料領(lǐng)域取得了系列重要進(jìn)展。12月4日，相關(guān)研究成果以“Rational integration of carbon nanotubes into chain-engineered bipolar polyimides as core-shell heterostructured electrodes for polymer-based symmetrical full batteries”為題，在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際著名期刊Advanced Functional Materials上（原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202211590），并被遴選為封面亮點(diǎn)論文?；膶W(xué)院章慶博士為論文第一作者、楊應(yīng)奎教授為通訊作者，中南民族大學(xué)為唯一通訊署名機(jī)構(gòu)。
以有機(jī)聚合物為電極活性材料兼具理論容量高、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)快、來(lái)源豐富、可再生、成本低、易加工等潛在優(yōu)勢(shì)，成為極具潛力的新一代儲(chǔ)能電池材料。然而，有機(jī)聚合物電極因活性基團(tuán)數(shù)有限、活性位點(diǎn)暴露受限和電化學(xué)利用率低等因素，致使其實(shí)際比容量偏低。同時(shí)，絕大多數(shù)聚合物呈本征電子絕緣性，通常需在電極制作時(shí)添加大量的碳質(zhì)導(dǎo)電劑，導(dǎo)致電池能量密度大幅降低（導(dǎo)電碳對(duì)正極容量貢獻(xiàn)極小）。此外，羰基聚合物基于可逆鋰烯醇化反應(yīng)機(jī)制，通常用作正極材料，因受制于低電位下（<1.5 V vs. Li+/Li）聚合物骨架的穩(wěn)定性，很少報(bào)道羰基聚合物為儲(chǔ)鋰負(fù)極，而以同一羰基聚合物為正、負(fù)極構(gòu)建有機(jī)全電池的研究幾乎未見(jiàn)報(bào)道。
鑒于此，楊應(yīng)奎教授團(tuán)隊(duì)基于大分子鏈工程設(shè)計(jì)合成了系列羰基聚合物，并發(fā)現(xiàn)二氨基蒽醌與均苯四甲酸二酐縮聚形成的聚(醌-酰亞胺)（PMAQ），因共軛效應(yīng)強(qiáng)、LUMO-HOMO能帶隙窄，使其具有最高比容量和最優(yōu)倍率性能。在此基礎(chǔ)上，摻入高導(dǎo)電碳納米管進(jìn)行原位聚合，誘導(dǎo)PMAQ在碳納米管表面生長(zhǎng)為納米片，形成核-殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料（CNT@PMAQ）。CNT@PMAQ相互連接形成3D分級(jí)納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中碳納米管內(nèi)核提供高效的電子傳輸路徑，殼層PMAQ納米片密集交錯(cuò)提供豐富的多孔通道，協(xié)同促進(jìn)羰基基團(tuán)和活性位點(diǎn)暴露、電解質(zhì)滲透和離子快速擴(kuò)散。分別以CNT@PMAQ為鋰離子電池正、負(fù)極時(shí)，表現(xiàn)出高倍率容量和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性。相應(yīng)地，利用CNT@PMAQ雙極性特征構(gòu)建聚合物基對(duì)稱(chēng)全電池，同樣兼具高能量密度、高功率密度和長(zhǎng)循環(huán)性能。
聚合物基對(duì)稱(chēng)全電池?；膶W(xué)院供圖
該工作結(jié)合大分子鏈工程和核殼異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)策略，增加羰基活性基團(tuán)數(shù)、活性位點(diǎn)利用率和實(shí)際比容量，提高電極導(dǎo)電性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電化學(xué)反應(yīng)活性，協(xié)同提升高倍率下電荷存儲(chǔ)能力和電池服役性能。同時(shí)，基于雙極性聚合物電極構(gòu)建對(duì)稱(chēng)型全電池，為發(fā)展高性能、低成本、可持續(xù)的新型有機(jī)電池提供新方法和新觀(guān)點(diǎn)。工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（52173091, 51973235）、國(guó)家民委領(lǐng)軍人才支持計(jì)劃（MZR21001）和湖北省創(chuàng)新群體項(xiàng)目（2021CFA022）資助。
作者：章慶 責(zé)編：楊應(yīng)奎 審核：鄧行 發(fā)布：艾麗菲拉 發(fā)布時(shí)間：2022-12-09
