在通往绿色电池的可持续发展之路上，具有高理论容量、高安全性和低成本等优点的铝离子电池拥有巨大潜力，为解决当前能源和环境危机提供了新的方案。有机铝离子电池正极材料备受瞩目，相比于传统无机过渡金属材料，其具有氧化还原活性位点丰富、理论比容量大、电化学可逆性强、结构设计灵活等诸多优势。醌类小分子和含氮杂环化合物是两类典型的有机电极材料，对前者的设计主要致力于增加结构中羰基（C=O）的数量，但其与铝离子基团的低结合率限制了氧化还原位点的有效利用；后者虽然包含有效的含氮官能团（C=N、 C≡N），但含氮有机分子显示出较低的电压平台和电池性能。此外，小分子有机物共同面临着导电性低和稳定性差等问题，进一步制约着有机铝离子电池的发展。
近日，昆士兰大学的罗彬博士，王连洲教授和Yusuke Yamauchi教授团队合作，首次提出基于双位点协同机制的有机铝离子电池体系。在该研究中，作者另辟蹊径对有机化合物进行分子结构组装，构筑含有C=O和C=N 双官能团的杂环共轭聚合物用于高性能铝离子电池正极材料，为开发低成本、环境友好的有机铝离子电池提供了新思路。
图1. 铝-聚合物电池机理示意图
作者采用含C=O和C=N双官能团的杂环共轭聚合物为正极，绿色经济的氯化铝/尿素(AlCl3/urea)为电解液，所得铝-聚合物电池展现出如下优点。首先，聚合物中稠合的C=N不仅形成稳定的π-π共轭体系，而且辅助相邻的C=O结合含铝基团AlCl2(urea)2+，赋予聚合物较强的氧化还原活性和出色的稳定性。作者通过密度泛函理论计算和各种先进表征技术证实了这种C=O和C=N双活性位点协同的储能过程具有较好的可逆性，并且每个构筑单元可以结合四个AlCl2(urea)2+。其次，聚合物延展的π-π共轭网络赋予电极较好的导电性和功能化设计的灵活性。作者通过复合聚合物-碳纳米管有效减少了聚合物的聚集，暴露出更多的氧化还原位点，而且提高了电极的稳定性和材料整体的离子和电子传输效率。基于材料独特的结构优势和可逆的C=O和C=N协同机理，电池实现1.4 V 的高输出电压，295 mAh g-1（0.1 A g-1）的高比容量和4000圈的长循环性能。
相比之前报导的仅含有单一官能团的有机电极材料，本文提出的聚合物电极材料表现出更加优异的电化学性能和更高的能量密度，对今后高性能电池的研究具有重要意义。
图2. 密度泛函理论计算
图3. 铝-聚合物电池的电化学性能
论文信息
Heterocyclic Conjugated Polymer Nanoarchitectonics with Synergistic Redox-active Sites for High-performance Aluminium Organic Battery
Xiyue Peng, Yuan Xie, Ardeshir Baktash, Jiayong Tang, Tongen Lin, Xia Huang, Yuxiang Hu, Zhongfan Jia, Debra J. Searles, Yusuke Yamauchi*, Lianzhou Wang*, Bin Luo*
文章第一作者为昆士兰大学的博士生彭喜月和谢园博士
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202203646
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