可用於電池正極和負極的高性能聚合物助力於全有機塑料電池的研究

【引言】

具有良好性能的全有機電池對於實現未來輕便的柔性電子產品至關重要。該領域現在的主要挑戰是缺乏容量高並且循環性能穩定的柔性有機電極材料。全塑料（全聚合物）可充放電池的概念在三十多年前被提出。其中電池的正極和負極材料都是由有電化學活性的導電聚合物（聚乙炔）製成，並且輔以固態的電解液材料。然而，當時製成的全電池具有極其有限的充放電性能和很低的庫倫效率。雖然近些年來，有關以全塑料（全聚合物）材料為電極的有機可充放全電池的研究被不斷的報道。但是如何設計和製備柔性的全聚合物電極材料十分的具有挑戰性。尤其是具有高比容量，高能量密度和循環穩定的聚合物正極和負極材料。

【成果簡介】

最近，新加坡南洋理工大學的張其春教授課題組設計了一種新型的具有電化學活性的聚合物電極材料 (C6O2S2)n（PDB）。得益於其獨特的梯狀苯醌和硫醚的有機分子構型，所製備的柔性PDB電極既可以用於電池正極也可以用於負極。在他們前期對此聚合物作為負極材料的研究基礎上，他們在此又研究了其作為正極材料的可行性。優化後的PDB作為正極材料呈現出很高的比容量，較高的輸出電壓和極其穩定的循環性能。更進一步，他們利用PDB的雙功能性質, 創新的製備出了以PDB聚合物為正極和負極的對稱全電池。該研究為未來製備高性能的全塑料電池提供了一種可靠的電極材料。該文章 」Toward a High-Performance All-Plastic Full Battery with a Single Organic Polymer as Both Cathode and Anode」 已發表在國際知名能源期刊Advanced Energy Materials上（影響因子：16.72）。

【圖文導讀】

圖1. PDB聚合物以及其柔性電極材料的設計，表徵和製備。（A）PDB聚合物的化學結構設計和理念。（B）PDB聚合物的FTIR和（C）TGA分析。（D）柔性PDB聚合物電極的製備過程。（E）柔性PDB聚合物電極的SEM形貌表徵（插圖是PDB聚合物電極的照片，比例尺條為0.6cm）。（F）獨立的PDB聚合物電極的柔軟性測試。

圖2. PDB聚合物作為正極活性材料的性能測試。（A）PDB作為正極材料的機理解釋及其理論容量。（B）PDB在3.4-1.5 V範圍內的充放電曲線圖（電流密度為20 mA/g）。(C) 對應的PDB的循環性能和庫倫效率。（D）PDB在不同電流密度下的倍率性能。（E）及不同電流密度下的充放電曲線圖。（F）PDB前三個循環的CV分析，掃速為0.1 mV/S.

圖3. PDB在大電流密度下的長時間充放電循環性能。（A）當電流密度為1000 mA/g時的500次循環。（B）當電流密度為1500 mA/g時的1000次循環。PDB都保留很高的比容量。

圖4. 以PDB聚合物為正極和負極材料製備的對稱全電池圖解。（A）PDB聚合物作為正極和負極材料的機理解釋。（B）全PDB對稱電池的布局和組裝。（C）以及PDB正極和負極的切面和厚度SEM表徵（比例尺條為5 μm）。

圖5. 以PDB聚合物為電極的對稱全電池的性能測試。（A）PDB聚合物為正極和負極材料的全電池的圖解。（B）全PDB聚合物電池在2.9-0.005 V範圍內的充放電曲線圖（電流密度為20 mA g-1）。（C）全PDB聚合物電池的能量密度和功率密度圖。（D）全PDB聚合物電池在不同電流密度下的倍率性能。（E）全PDB聚合物電池在3.2-0.005 V範圍內大電流密度（500 mA/g）下的長時間充放電循環性能（250次充放電）。

Jian Xie, Zilong Wang, Zhichuan Jason Xu, Qichun Zhang, Toward a High-Performance All-Plastic Full Battery witha Single Organic Polymer as Both Cathode and Anode, Adv. Energy Mater. 2018, 1703509. DOI: 10.1002/aenm.201703509

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