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镁金属电池（MMBs）具有低成本、本征安全和高体积能量密度的潜力，但其发展受限于缺乏能实现可逆Mg²⁺存储的正极材料以及正极‑电解质不相容性。
在此，上海交通大学邹建新，鲁汶大学Alexandru Vlad、林晓东等人证明将分子设计的聚酰亚胺（PI）正极与定制的电解质组成相结合，可实现快速且持久的镁存储。
作者系统评估了两种相似主链结构但π‑共轭程度不同的PI，聚（萘四羧酸二酐‑脲酰亚胺）（NUPI）和聚（苝四羧酸二酐‑脲酰亚胺）（PUPI）在含氯和无氯电解质中的性能。系统研究表明，以弱配位阴离子为特征的无氯电解质能够实现可逆烯醇化（C=O ⇌ C‑O⁻/[C‑O⁻]₂Mg²⁺），同时抑制副反应。
此外，具有更强π‑π堆积和更有序层状结构的NUPI有助于Mg²⁺传输和界面电荷转移。当与氧化石墨烯改性隔膜结合时，NUPI正极在50 mA g⁻¹下提供175 mAh g⁻¹的比容量，并在500 mA g⁻¹下经过1000次循环表现出超低的容量衰减（≈0.05%每循环）。原位/非原位光谱分析和理论计算进一步证实了烯醇化主导的氧化还原机制。
图1. 电池性能
总之，该工作建立了介于共轭PI分子框架与电解质化学之间的合理协同设计范式，以实现高性能镁存储。通过对两种结构相关但电子特性不同的聚酰亚胺——NUPI和PUPI——在含氯及无氯电解质中的系统比较，研究表明烯醇化驱动的Mg²⁺存储程度和可逆性共同由分子结构和电解质稳定性决定。无氯的Mg[B(hfip)₄]₂/DME电解质提供了更宽的电化学稳定窗口和更温和的界面化学，使得氧化还原活性羰基位点能够进行深度、可逆的烯醇化。
在此背景下，NUPI的层状、π堆积形态促进了高效Mg²⁺传输和结构完整性，从而提供了优异的容量保持率和倍率性能。原位FTIR/XRD、非原位XPS以及DFT计算共同揭示了可逆、异相烯醇化机制（C=O ↔ C‑O⁻/[C‑O⁻]₂Mg²⁺）作为共轭PI骨架中主要的镁存储路径。
值得注意的是，与Mg[B(hfip)₄]₂/DME电解质及GO改性隔膜配对的NUPI正极实现了≈175 mAh g⁻¹的高可逆容量，并在500 mA g⁻¹下经过1000次循环表现出≈0.05%每循环的超低容量衰减。该研究阐明了氧化还原位点拓扑结构与电解质存在形式之间对于在有机主体中实现快速、稳定Mg²⁺存储的关键耦合作用。这些见解为下一代MMBs建立了一个通用的材料‑电解质设计框架，并可扩展到其他多价离子化学体系。
图2. NUPI与PUPI的DFT分析
Boosting Magnesium Storage Performance of π‐Conjugated Polyimide Cathodes Through Synergistic Molecular and Electrolyte Engineering, Angewandte Chemie International Edition 2025 DOI: 10.1002/anie.202522131
邹建新 上海交通大学材料科学与工程学院 教授， 已在Science正刊，Science专刊，Adv Mater, J of Materials Chemistry A, Acta Mater, J of Power Sources, Scripta Mater等国际知名期刊上发表SCI论文120篇，被他引超过1700次（h影响因子=30）。
Alexandru Vlad 比利时法语鲁汶大学 研究领域包括有机/无机锂、钠、钙离子电池电极及固态电解质。
Lin Xiaodong (林晓东) 比利时法语鲁汶大学
