姜振华领衔！吉林大学陈峥/吴宗铨Angew|螺旋聚合物基正极材料以实现长循环锂金属电池- 大数跨境

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姜振华领衔！吉林大学陈峥/吴宗铨Angew|螺旋聚合物基正极材料以实现长循环锂金属电池

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2025-08-19

导读：姜振华领衔！吉林大学陈峥/吴宗铨Angew|螺旋聚合物基正极材料以实现长循环锂金属电池

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文章信息

螺旋聚异腈蒽醌正极材料助力锂金属电池实现长循环

第一作者：王雪涵

通讯作者：陈峥*，吴宗铨*

单位：吉林大学特种工程塑料教育部工程研究中心、吉林大学超分子国家重点实验室、中国一汽集团有限公司研发总院

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研究背景

由于具有独特的构象结构与物化特性，螺旋聚合物已在手性分离、生物医学、圆偏振发光等领域展现出广阔的应用前景和巨大的发展潜力。然而，为充分发挥其性能优势，探索更多应用场景，研究者们仍致力于进一步挖掘这类材料的潜能。

2021年，Nguyen等人设计并制备了基于α-螺旋多肽的正极和负极材料，成功应用于全有机、无金属的二次电池体系中，展现出优异的电化学稳定性和生物可降解性。2024年，Evans团队则报道了一种基于α-螺旋多肽的高导电性电解质，将其用于全固态电池中，进一步凸显了螺旋结构在提升电解质导电性能方面的重要作用。这些出色的研究工作使作者团队认识到，螺旋聚合物应在储能电池领域发挥更大作用。然而，关键在于如何充分利用其特性，发挥其独特优势。

醌类电极因其具有较高的理论容量、适配的氧化还原电位以及丰富的结构设计可能性，已成为有机正极材料的理想选择。然而，在实际应用中，研究者发现与小分子醌类材料相比，含醌结构的聚合物在充放电稳定性方面表现更为优异。针对这一方向，为了实现高容量密度和高分子量的目标，研究者们开展了许多创新性研究工作。然而，开发能够兼顾能量密度、聚合物分子量、溶解性、结构稳定性等关键因素的理想合成方法仍是该领域面临的重要挑战。

聚异腈是一类分子量可控、分散度低、结构规整且易于功能化设计的经典螺旋聚合物。基于这些特性，我们认为聚异腈非常适合作为高性能电极材料的理想候选。然而，目前尚未有关于聚异腈在电极材料领域应用的研究报道。针对这一研究空白，本文基于聚异腈的主链结构，设计并开发一种新型的高性能有机正极聚合物材料。这不仅能为高性能有机聚合物储能材料的制备提供了一种高效可行的合成策略，还拓宽了螺旋聚合物的研究新方向。可以预见，聚异腈与电极材料的有机结合将有助于推动未来高性能储能系统中聚合物电极材料的研究与实际应用。

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文章简介

近日，来自吉林大学的陈峥教授与吴宗铨教授合作，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Helical Poly(isocyanide anthraquinones)-Based Cathodes for Long-Cycling Lithium Metal Batteries”的文章。该文章总结了螺旋聚合物的优势和醌类侧链型聚合物的发展困境，提出以Pd-II催化活性聚合方法。首次将蒽醌侧链引入螺旋聚异腈制备了PIC-1/2AQn，产率≈90%，Mn可控，PDI<1.3。其中，PIC-2AQ的带隙最窄、LUMO能级最低，1Ag⁻¹循环 2000次电池比容量仍保持有141mAh g⁻¹。此外，采用原位PIL电解质组装的软包电池展现出优异的机械稳定性和安全性，为柔性有机锂金属电池的设计树立新范式，也为未来高性能储能系统中有机聚合物的设计提供了重要指导。

图1.蒽醌小分子和蒽醌侧链聚合物的发展历程、分子结构性能及未来发展方向。

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本文要点

要点一：醌基聚合物的发展瓶颈及前景

侧链型醌基聚合物的研究主要集中在2010至2015年，受限于合成方法。早期研究多通过接枝法将蒽醌或芘四酮连接到聚苯乙烯骨架，因接枝不完全导致功能化不足，电池稳定性受限。后来改用自由基聚合直接制备含蒽醌或苯并二噻吩二酮侧链的聚合物，虽解决了功能化不完全的问题，却伴随链转移和离子捕获，导致分子量（Mₙ）较低且分布较宽（PDI>2），从而限制了电池的循环稳定性。

本研究首次将螺旋聚异氰酸酯主链与蒽醌（AQ）侧基通过Pd-II催化活性聚合，以1-氨基蒽醌（1-AAQ）和2-氨基蒽醌（2-AAQ）为起始单体，构建了系列螺旋聚异腈蒽醌（PIC-1AQₙ和PIC-2AQₙ）。该策略不仅实现了高分子量产率（≈90%）、窄分布（PDI<1.30）和可精准调控的Mn，还通过螺旋构象将每个AQ单元以非共面方式悬挂在主链外侧，显著抑制了分子间π-π堆积并暴露出更多羰基活性位点，从而解决了传统醌类聚合物因溶解、低分子量和副反应导致的循环稳定性差等关键瓶颈。

要点二：邻位/间位聚异腈蒽醌的性能对比

由于具有更窄的能带间隙（2.94 eV）、更低的未占据分子轨道（-3.54 eV）和更高的空间自由度，PIC-2AQ表现出最优异的性能。通过理论计算和非原FT-IR与XPS证实羰基为可逆储锂活性中心，并比较了不同聚合度（DP=50、75、100、125、150）PIC-2AQ的电化学性能。其中，采用PIC-2AQ₁₀₀组装的锂金属电池（LMBs）在1 A g⁻¹电流密度下实现了2000次稳定循环后仍可保持141 mAh g⁻¹的容量，远优于同类醌聚合物。优异的倍率和长循环性能源于螺旋骨架赋予的快速Li⁺扩散、高赝电容贡献以及极低电荷转移阻抗。

要点三：有机柔性器件的设计及开发

为拓展柔性器件应用，作者开发了原位聚合的聚离子液体（PIL）固态电解质：由VBImTFSI与HFBMA共聚而成，兼具高离子电导率和低界面阻抗（138Ω），且与PIC-2AQ100正极/锂负极形成牢固粘附。基于该电解质组装的软包全固态电池可在反复折叠、裁剪等极端机械变形下持续供能，50次循环后仍保持大于100mAh g⁻¹，显著提高了有机锂金属电池的安全性和可穿戴场景适应性。

本工作系统展示了“活性聚合—螺旋构象—固态电解质”协同设计思路在构建高容量、长寿命、柔性有机锂电池中的普适价值。通过可设计型侧链、可精确调控的聚合策略与界面工程的协同耦合，为构建高容量、长寿命、柔性安全的下一代储能体系提供了可直接复制并推广的范例。

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文章链接

Helical Poly(isocyanide anthraquinones)-Based Cathodes for Long-Cycling Lithium Metal Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202512956

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通讯作者简介

陈峥，吉林大学化学学院教授、博士生导师，入选吉林省高层次人才（E类）。2011年获吉林大学理学博士学位，其间以联合培养博士身份赴美国德克萨斯大学奥斯汀分校有机化学系深造；2012年入职吉林大学，2017–2019年赴美国北卡罗来纳大学教堂山分校高分子系先后开展访问学者和博士后研究。现任吉林大学特种工程塑料教育部工程研究中心副主任、化学学院高分子工程本科教学实验室主任。长期从事“电化学活性特种工程塑料的设计、合成及应用”研究，先后主持国家级、省部级项目10余项。作为通讯作者在JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、CEJ、Macromolecules等国际权威期刊发表SCI论文90余篇；以第一发明人申请发明专利23项，其中已授权11项。曾获吉林省技术发明一等奖、中国产学研合作创新成果奖优秀奖。现担任吉林省科创专员、中国感光学会第一届青年理事会理事，《中国化工报》新型高端行业智库PEEK材料产业专家等。

吴宗铨，吉林大学化学学院教授、博士生导师，2006年在中国科学院上海有机化学研究所获得理学博士学位，随后在日本名古屋大学和美国德克萨斯大学奥斯汀分校从事博士后研究，2011年受聘为合肥工业大学教授、博士生导师，2022年入职吉林大学化学学院，超分子结构与材料国家重点实验室。先后获得国家海外引进优秀青年人才，国家自然科学基金委优秀青年基金，“多层次手性物质的精准构筑”重大研究计划-重点项目等。近5年，作为通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.，Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.等国际权威期刊上发表论文60余篇，两次应邀在Acc. Chem. Res.撰写综述。发展的聚合方法被国际其他课题组直接利用达百余次。获中国化学会青年手性化学奖、安徽省青年科技奖等。担任Elsevier期刊Reactive and Functional Polymers和Catalysts编委、Chinese Chemical Letters和《化学进展》青年编委、中国化学会手性化学专业委员会委员等。

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第一作者简介

王雪涵，吉林大学化学学院2023级在读博士生，师从姜振华教授。研究方向为：二次锂（钠）电池有机电极材料的制备、体系构建和性能研究；凝胶聚合物固态电解质的设计以及干法工艺探索。累计在Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Sustainable Chem. Eng.、Inorg. Chem. Front等学术期刊上发表SCI论文9篇，其中第一作者4篇。