为了缓解气候变化和实现碳中和以及可持续发展，科学家们一直致力于开发低成本，可持续性和对环境友好的二次电池。在传统的锂离子电池中，价格昂贵且有毒的过渡金属如钴等被大量使用，因而不能实现这些目标。近日，有机钠离子和钾离子电池因其使用廉价，储量丰富，可再生和可生物合成的有机钠和钾基材料而引起了广泛的研究兴趣。然而，有机材料易溶解于有机电解液中，并且导电性差，从而降低了其在二次电池中的电化学性能。研发不溶解且具有高电导性的有机电极对实现廉价和环保的二次电池极为重要。
近期，美国乔治梅森大学的骆超教授及其团队合成了三种含有羰基和偶氮基团的新型有机聚合物，并将其应用于钠离子和钾离子电池中。作者希望通过合成大分子量的聚合物来降低有机材料的溶解性，并且在聚合物的同一个重复单元中引入多种活性基团来实现具有高循环稳定性及高容量的有机钠离子和钾离子电池。这三种聚合物具有相同的偶氮化合物单体和不同的羰基化合物单体。通过对比其电化学性能的差异，作者研究了不同单体结构对电池性能的影响。为了进一步提高电导率和稳定性，具有高导电性和大比表面积的氮参杂石墨烯被应用于有机电极中。
研究结果表明，含有较大平面共轭结构的聚合物表现出更高的反应电位和更好的循环稳定性。其中，含有1,4,5,8-萘四甲酸酐和偶氮苯单体的聚合物在钠离子和钾离子电池中的反应平均电位在2V左右，并可以可逆的存储和释放超过200毫安时每克的比容量。在钠离子和钾离子电池中，该聚合物分别实现了1200和200个周期的稳定循环。其优异的电化学性能证明了有机聚合物材料在钠离子和钾离子电池中的应用潜力。有机聚合物的电化学性能可以通过进一步扩大其平面共轭结构和引入更多的反应基团来得以提高。该工作强调了有机共轭结构和多种反应基团对有机电池电化学性能的重要性。
论文信息
Multi-Functionalized Polymers as Organic Cathodes for Sustainable Sodium/Potassium-Ion Batteries
Motahareh Mohammadiroudbari, Dr. Kaiqiang Qin, Prof. Chao Luo
Batteries＆Supercaps
DOI: 10.1002/batt.202200021
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Batteries＆Supercaps
Batteries＆Supercaps是欧洲化学协会(Chemistry Europe)的官方期刊并由Wiley–VCH出版。致力于成为电池研究中从基础到应用以及工程等各个方面的顶级期刊，Batteries＆Supercaps主要涵盖纯电池和应用电池研究、电池电化学、电极材料、电池设计、电池系统和应用以及混合电池系统等研究内容。
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