【eScience研究论文】华中科技大学王成亮课题组：基于分枝状聚合物正极的高性能双离子电池

1. 通过巧妙的结构设计，使双离子电池倍率性能、放电电压、能量密度和功率密度同时得以提升。
2. 与链状结构相比，分枝状结构更有助于阴离子存储。

3. 达到商用无机正极能量/功率密度的水平。

如何提高电池的能量密度和功率密度，从而满足日益增长的能源需求，已成为当今社会亟待解决的问题。双离子电池具有高工作电压、低成本、环保易回收等优势，已受到国内外的广泛关注。与传统的金属离子电池不同，在双离子电池中，不但阳离子能够发生嵌入反应，电解液中的阴离子也能发生嵌入反应，而阴离子的嵌入/脱出通常需要更高的电压，从而提高了电池的能量密度。p型有机电极材料是一种能够在高电压下存储阴离子的材料，因此已被广泛的用作双离子电池正极，但是，目前所报道的p型有机电极材料在容量、倍率性能、放电电压、能量密度和功率密度等方面还仍有进一步提升的空间。

华中科技大学王成亮课题组前期的工作发现，分枝状的羰基聚合物可以促进钠离子的存储（J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 23851）。在此基础上，作者认为，分枝状的p型有机电极材料同样可促进阴离子的存储。为此，我们选取了二氢吩嗪聚合物对该猜想进行了验证。通过巧妙的结构设计，与链状二氢吩嗪聚合物相比，分枝状二氢吩嗪聚合物具有更高的电子电导率、阴离子扩散系数和更大的比表面积，得益于这些性质，分枝状二氢吩嗪聚合物展现出了更加优异的电化学性能。相关工作现已发表在eScience上。

为了验证分枝状结构有助于阴离子存储的猜想，作者设计了链状二氢吩嗪聚合物（p-DPPZ）和分枝状二氢吩嗪聚合物（p-TPPZ）。首先，为了确定分子结构对电子结构的影响，采用密度泛函理论计算了p-DPPZ和p-TPPZ的HOMO与LUMO能级，由于共轭体系的扩展有助于电子的离域，p-TPPZ具有更低的HOMO能级和更窄的带隙，这暗示了p-TPPZ具有更高的充放电电压与电子电导率。此外，与p-DPPZ相比，p-TPPZ具有更大的比表面积和更高的阴离子扩散系数，意味着p-TPPZ更有益于阴离子的存储。

图1. p-TPPZ和p-DPPZ的化学结构与密度泛函计算

作者分别以p-DPPZ和p-TPPZ作为正极，锂金属作为负极，1 M LiPF₆-EC/DEC作为电解液组装电池进行电化学测试。与p-DPPZ相比，p-TPPZ具有更高的平均放电电压（3.65 V vs. Li⁺/Li）和更低的极化（p-TPPZ：80 mV，20 mV，p-DPPZ：200 mV，180 mV），表明了p-TPPZ具有更好的氧化还原可逆性与更快的反应动力学。此外，p-TPPZ正极还展现出了较高的容量和难以置信的倍率性能，与电流密度为0.5 C时相比，在电流密度分别为1 C、2 C、5 C、10 C和20 C时仅有少量的容量损失，甚至在电流密度高达40 C时仍有78.0%的容量保持率，如此优异的倍率性能远超绝大多数报道的用于锂离子电池和双离子电池的p型有机正极。同时，p-TPPZ所展现的能量密度与功率密度也优于绝大多数所报道的p型有机正极，甚至可与商用的无机正极相媲美。如此优异的电化学性能与其分枝状的共轭结构密不可分。

图2.（a-d）p-TPPZ//Li电池和p-DPPZ//Li电池的电化学性质；（e-f）p-TPPZ//石墨电池的电化学性质

作者以石墨作为负极组装了p-TPPZ//石墨的双离子电池，在2 C的电流密度下循环300圈后仍有99.3%的容量保持率，该电池可以点亮HUST图案的LEDs证明了它的实用性。总之，种种结果验证了作者对分枝状p型有机电极材料可以促进阴离子存储的猜想，希望该结构设计的思路能够进一步加深人们对设计高能量密度和高功率密度正极材料的理解，促进有机正极材料和双离子电池的发展。

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A brancheddihydrophenazine-based polymer as a cathode material to achieve dual-ionbatteries with high energy and power density

S.F. Xu, H.C. Dai, S.L. Zhu, Y.C. Wu, M.X. Sun, Y. Chen, K. Fan, C.Y. Zhang, C.L.  Wang*, W.P. Hu

eScience, 2021.

DOI: 10.1016/j.esci.2021.08.002

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通讯作者  王成亮

教授，博士生导师

华中科技大学光学与电子信息学院

武汉光电国家研究中心

国家海外高层次人才，华中卓越学者

2005年本科毕业于南京大学，2010年博士毕业于中国科学院化学研究所。随后依次在香港中文大学、德国明斯特大学和伊尔梅瑙理工大学从事研究工作。2016年通过国家海外高层次人才引进，加入华中科技大学。一直从事于有机高分子材料及其在有机电子学和有机储能电池中的应用研究。发表SCI论文80余篇，包括第一/通讯论文Chem. Rev.，Chem. Soc. Rev.，Acc. Chem. Res.，Chem，Adv. Mater.，Angew. Chem.，J. Am. Chem. Soc.，Energy Storage Mater.等，单篇最高被引超过2500次。担任《Chinese Chemical Letters》、《SmartMat》青年编委，以及《Frontiers of Optoelectronics》“有机光电子学”特辑客座编辑。指导的研究生已多人次获得三好研究生、优秀毕业生、优秀研究生干部、国家奖学金、光电学子、知行奖学金以及其他知名企业冠名奖学金等奖项。

课题组诚邀对科学研究有热情、有追求的同学和科研工作者加入，探索未知、创造新的可能！课题组主页：http://flexbatt.oei.hust.edu.cn

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更多课题组近期工作可参考：

1. Acc. Chem. Res. 2020, 53, 2636.
2. Chem 2018, 4, 2600.
3. Chem 2021, 7, 1224.
4. Angew.Chem. Int. Ed. 2018, 57, 16072.
5. Angew.Chem. Int. Ed. 2019, 58, 14731.
6. Angew.Chem. Int. Ed. 2021, 60, 18769.
7. Angew.Chem. Int. Ed. 2021, 60, 10871.
8. EnergyChem2020, 2, 100030.
9. EnergyEnviron. Mater. 2020, 3, 441.
10. EnergyStorage Mater. 2020, 27, 35.

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eScience（国际刊号ISSN：2667-1417；国内出版物号CN12-1468/O6）（简称《e科学》），主管单位为教育部，为南开大学与科爱合作创办的国际化学术期刊，创刊主编为南开大学陈军院士，致力于发表能源、电化学、电子学和环境相关领域及其交叉学科具有原创性、重要性和普适性的最新研究成果。“立足中国，拥抱世界，引领未来”，本刊定位为具有广泛影响力的能源电化学领域国际顶级学术期刊，将提升国际学术影响力，服务科技强国建设，助力“碳达峰”和“碳中和”国家重大能源战略。成功入选2020年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目。初期采取钻石开放获取出版模式，对作者和读者均免费，是您可信赖的发表平台。

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