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可溶液加工的,具备多电子转移特性的锂电池有机共轭聚合物正极材料

德州A&M大学的方磊和Jodie Lutkenhaus领导的研究小组报道了一种多克级合成法,制备了一种(苯胺-芴)交替共聚物(PAF)。该聚合物因具备良好的溶解度和成膜性可以直接使用溶液加工法制备聚合物锂电用的正极材料。该正极材料呈现出多电子转移,高掺杂度,以及良好的电极充放电循环稳定性。


关键词:共轭高分子,聚苯胺,聚合物锂电,正极材料


可溶液加工的,具备多电子转移特性的锂电池有机共轭聚合物正极材料

共轭高分子因为化学结构的多样性和相应性能可调控性在电化学能源存储应用上展示出了具有的潜力。但大部分共轭高分子因为低掺杂度(0.3-0.5)导致电池容量比较低,加之在加工性方面的缺点限制了它们的实际应用。因此,设计并合成可溶液加工的,具有高掺杂度的共轭高分子对现行的分子设计和合成方法学提出了挑战。


德州A&M大学的方磊和Jodie Lutkenhaus领导的研究小组设计出了一种简易多克级合成方法制备出了(苯胺-芴)交替共聚物(PAF)。这种PAF共聚物主链结构由交替的苯胺和芴重复单元组成。该聚合物展现出高掺杂度,多电子转移及良好的溶液加工性能。使用它制备的厚度高达50微米的正极材料仍呈现良好的充放电循环稳定性。

 

从分子设计角度上来讲,苯胺基团可以提供良好的可逆氧化还原性能,另一方面,在苯胺基团上面进行酯基修饰可以改善聚合物的稳定性,并提高在制备电极时对碳材料的粘合性能。


研究人员设想他们设计合成的PAF会具有苯胺和芴基团所体现的良好电化学特性,同时也表现出这两个结构单元单独存在时不具备的一些协同特性。他们设计了一种简单的AA + BB类型的缩聚反应,这类缩聚反应不需要金属参与,反应条件简单,适合放大。所制备的PAF共聚物具有优秀的溶解度,成膜性和热稳定性。电化学测试揭示了该PAF共聚物能够进行多电子存储与转移的特性。

 

研究人员进一步把该材料做成锂电池正极材料进行电池充电放电的详细测试。该PAF正极材料因为苯胺和芴基团之间的电化学协同作用呈现出了0.69的高掺杂度。相比之下,一般的共轭高分子的掺杂度只在0.3-0.5之间。此外,PAF正极材料因为自身的导电性能和对于电解液的不溶性表现出良好的充放电循环稳定性。在充放电循环100次之后,PAF正极材料的比容量只减少了不到5%。因此, 这种方法给其他研究人员日后在设计基于共轭高分子的锂电池电极材料提供了一种新型的分子设计思路。


相关论文发表在Macromolecular Rapid Communications上(DOI: 10.1002/marc.201700067) 。


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