近年來，有機電極材料由于其豐富的儲量、價格低廉、可設計性和環(huán)境友好性等優(yōu)勢，且其良好的柔韌性使其能夠容納較大的鈉離子，而不會造成明顯的體積膨脹，在鈉金屬電池領域得到了越來越多的關注。然而有機材料通常易溶解在有機電解液中，導致材料的高容量難以揮發(fā)以及電池電化學性能衰退和動力學反應緩慢等一系列問題。因此，開發(fā)具有高比容量和快速離子擴散的高效穩(wěn)定有機聚合物作為鈉金屬電池電極材料是目前儲能系統(tǒng)發(fā)展的迫切需求。
近日，香港城市大學張其春教授課題組和燕山大學黃葦葦教授課題組報道了一種通過簡單希夫堿反應合成的共軛線性聚合物聚對苯二甲醛-4,4'-二氮苯胺（p-PADA）作為鈉金屬電池的電極材料，并與具有相同重復單元的小分子化合物苯甲醛-4,4'-二氮苯胺（BADA）進行了比較，探究分子結(jié)構(gòu)設計對于有機電極材料儲鈉性能的影響。
圖1 BADA和p-PADA的（a）合成路線及（b）HOMO和LUMO能級 與小分子化合物BADA相比，線性聚合物p-PADA幾乎不溶于有機電解質(zhì)，具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性，并表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學動力學和倍率性能。這源于聚合擴展了π共軛結(jié)構(gòu)，從而有效改善了聚合物的電化學性能。同時，C=N和N=N對p-PADA電化學活性的共同修飾促進了鈉離子的儲存，使電池達到高容量。在5 A g-1的高電流密度下，p-PADA電池的比容量可達400 mAh g-1，大大高于BADA（264 mAh g-1）。其優(yōu)異的循環(huán)能力使其在1000次循環(huán)后仍可保持313 mAh g-1的比容量。 圖2 （a）p-PADA電極在0.5 mV s?1的掃描速率下的CV曲線。（b）p-PADA的恒流充放電曲線。BADA和p-PADA的（c）倍率性能和（d）在5 A g?1時的循環(huán)性能。 此項工作通過對兩種電極材料的電化學性能研究，揭示了分子結(jié)構(gòu)與電化學性能的關系。p-PADA具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和擴展的π共軛結(jié)構(gòu)，在相同的實驗和測試條件下，其電化學性能遠優(yōu)于BADA。證明了分子聚合和擴展共軛結(jié)構(gòu)可以顯著改善有機材料的電化學性能，這對于高性能有機電極材料的研究發(fā)展具有參考意義。 論文信息 Conjugated Azo Compounds as Active Materials for Rechargeable Sodium-Metal Batteries with High-Rate Performance Jiawen Wang, Dr. Yifan Tong, Prof. Weiwei Huang, Prof. Qichun Zhang Batteries＆Supercaps DOI: 10.1002/batt.202200413
