华中科技大学王成亮教授，Advanced Energy Materials：构建导电聚合物的结构异构体，揭示并增强其储锂能力

第一作者：戴慧超，陈远，高彦博，龚磊

通讯作者：王成亮*

单位：华中科技大学

有机电极由于其固有的资源丰富、环境友好等特性在电池领域引起了极大的兴趣。其中导电聚合物具有导电性高、易于批量生产的优点，在各种应用中显示出巨大的潜力，一经发现就被尝试用于有机电池。然而，当导电聚合物用作n型有机电极材料时，往往表现出放电容量低、可循环性差、倍率性能不佳、充放电电压不稳定等问题，很大程度上抑制了基于导电聚合物的有机电池的发展。因此，对导电聚合物的进一步研究不仅对有机电池具有重要意义，而且对加深对导电聚合物在其他各种应用中的认识也具有重要意义。

本工作首先通过密度泛函理论（DFT）对吡啶基导电聚合物的锂化过程进行了预测。N原子附近具有最低的ESP分布，表明Li离子更容易存储在N原子附近，而对Li离子活性位点的计算表明，无论是处于N原子周围的位点还是吡啶环的上方或下方的位点与Li离子的结合能均为负值，暗示了Li离子可以存储于这些位点。进一步的计算表明，在PPY-1中，Li离子可先后分别存储于吡啶平面内（两螯合N原子之间）和吡啶平面上/下，每两个吡啶环存储3个Li离子。对于PPY-2而言，仅能在每两个吡啶环的上/下存储2个Li离子。对于吡啶环取向随机分布的PPY-3，由于同时具有上述两种情况，所以，每两个吡啶环可存储的Li离子数介于PPY-1和PPY-2之间。

为了研究吡啶基导电聚合物在电池中的应用可能，并证实上述电荷存储机制，以锂为对电极，以Super P为导电添加剂，羧甲基纤维素钠为粘结剂制备了PPY-1、PPY-2和PPY-3的半电池。在循环伏安测试中，与PPY-2和PPY-3相比，在相同的电流密度下PPY-1具有最大的积分面积，暗示了最多的Li离子存储，而PPY-2具有最小的积分面积，代表最少的Li离子存储。而不具有C=N双键的聚苯（PB）则具有与Super P几乎完全相同的CV曲线，表明由于C=N双键的缺少，不具备额外的Li离子存储能力。此外，与PPY-2相比，具有螯合C=N双键的PPY-1和PPY-3在1.5/1.7 V处可观察到额外的一对氧化还原峰，该峰应该归因与螯合的C=N双键的锂化过程。为排除电导率的影响，在60 wt.%导电添加剂存在下对三种导电聚合物进行了恒流充放电测试，在0.1 A g^-1的电流密度下，PPY-1，PPY-2和PPY-3所展现出的放电容量符合PPY-1>PPY-3和PPY-2的顺序，经过50次循环后，在扣除导电添加剂的贡献时，分别具有456.8, 268.5 and 341.3 mAh g^-1的放电比容量。值得注意的是在多种不同的电流密度下，三种导电聚合物所展现出的放电比容量均满足这一顺序。

由于三种吡啶基导电聚合物在锂化过程中具有相似的官能团变化，因此使用MALDI-TOF进一步定量了三种异构体中嵌入的Li离子的数量。MALDI-TOF光谱结果表明，对于不同聚合度的PPY-1低聚物，最高电子转移数为吡啶环数的1.5倍，而PPY-2最高电子转移数仅等于吡啶环的数量，这一结果表明，相邻C=N双键的缺失限制了PPY-2的电子转移数。对于PPY-3而言，其最大电子转移数位于吡啶环数的1~1.5倍之间。这些结果量化了三种异构体中嵌入Li离子的数量，表明相邻C=N双键的存在可以通过螯合作用显著提高电化学性能。

Constructing Structural Isomers to Reveal and Enhance Lithium Storage in a Conducting Polymer

王成亮教授简介：华中科技大学集成电路学院、武汉光电国家研究中心，教授，博士生导师，国家海外高层次人才。2005年本科毕业于南京大学，2010年博士毕业于中科院化学所。一直从事于有机高分子材料及其在电子学和能源存储中的应用研究。到目前为止，已在Chem. Rev.，Chem. Soc. Rev.，Acc. Chem. Res.，Coord. Chem. Rev.，Chem，Adv. Mater.，Angew. Chem.，J. Am. Chem. Soc.等国际学术期刊上发表SCI论文100余篇，单篇最高被引次数超过3200次。受邀在三本专著中撰写重要章节，包括两本中文版专著；一本英文版专著。担任《Energy Reviews》、《SmartMat》、《Chinese Chemical Letters》、《Battery Energy》和《Frontiers of Optoelectronics》的编委、青年编委和客座编辑。入选2020年度Journal of Materials Chemistry A 新锐科学家，RSC高被引作者，爱思唯尔中国高被引学者，斯坦福大学全球2%顶尖科学家年度和终身成就榜单。

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