含卟啉聚合物分子的新型有机锂电池正极材料
材料
作者：X-MOL
2020-06-25
锂离子电池在便携式电子设备、动力汽车、航天航空等领域得到广泛的应用，其性能的发挥主要受限于正极材料的性质。商业化的锂离子电池主要由不可再生的过渡金属氧化物等无机材料作为正极材料，其回收技术复杂、成本高。开发绿色、可循环再生的电极材料成为电池领域的学术前沿和重大需求。有机电池材料由含碳、氮、氧、氢等元素组成，可直接从自然界提取或者通过分子设计合成，具有环境友好、易回收且储能性能可调节等特点，在绿色、可持续电化学储能领域具有重要的应用前景。然而，有机电极材料在溶剂分子中的高溶解性以及本身固有的低电子导电率极大地限制了有机电池的开发。如何开发高效稳定有机聚合物分子并提高有机电极材料的电子电导率成为该领域研究的关键。
近日，湘潭大学高平、谭松庭教授团队通过分子设计手段，开发了一种含卟啉结构的新型有机聚合物锂电池正极材料（图1所示）。含卟啉结构单元的分子存在于自然界，如叶绿素和血红素分子，具有高度共轭结构和多电子转移的特点。但作为活性分子在电化学储能领域鲜有报道。研究者在卟啉锌配合物的meso位置引入乙炔基官能团并通过控制合成条件引发偶联聚合反应，成功制备了兼顾稳定结构和提高电子电导率的卟啉聚合物正极材料。
图1. 锌卟啉聚合物的合成路线（a， Pre代表单体卟啉分子，PPre代表聚合物卟啉分子），红外和紫外可见吸收光谱图（b, c）
研究发现在电荷存储过程中，卟啉聚合物分子中氮原子发生明显的可逆变化，而锌离子的价态保持稳定。充放电测试表明，聚合卟啉分子作为正极材料能够表现出优异的循环性能和倍率性能。2000次循环之后，其容量保持率仍可达到90%以上，且在1000 mA g-1的大电流密下，聚合卟啉分子放电比容量仍可达93 mAh g-1 (图2)。
图2. 聚合卟啉的倍率 (a), 循环性能(b)
这一成果发表在近期的Chemical Communications 上，文章的第一作者为硕士研究生袁靖钧和任波。
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A coupled polymeric porphyrin complex as a novel cathode for highly stable lithium organic batteries
Jingjun Yuan, Bo Ren, Xin Feng, Ping Gao, Enhui Liu, Songting Tan
Chem. Commun., 2020, 56, 5437–5440, DOI: 10.1039/C9CC09846A
导师介绍
谭松庭
https://www.x-mol.com/university/faculty/14261