杨应奎教授、朱云海教授、张蓉瑜博士，Angew文章：调控氰基电极的分子结构与微结构以实现高性能的全有机电池

第一作者：王永林

通讯作者：杨应奎*，朱云海*，张蓉瑜*

单位：武汉纺织大学，沈阳航空航天大学

构建清洁低碳、安全高效的新型储能电池是解决化石能源危机和环境污染、支持“双碳”战略目标的重要途径。有机材料具有成本效益高、环境友好、可设计性强等优点，被认为是新一代电化学储能电池的理想电极材料。氰基电极材料因其较高的理论电位在诸多的有机电极材料中脱颖而出。然而，氰基的极性极强，导致氰基电极材料极易溶解在极性的电解液溶液中；另外，氰基的键强极高，使得氰基的氧化还原反应动力学缓慢；此外，氰基电极材料还面临着有机电极材料普遍存在的活性位点利用率低和导电性差等问题。以上这些严重限制了氰基电极材料的实际应用。

近日，来自武汉纺织大学的杨应奎教授、朱云海教授和沈阳航空航天大学的张蓉瑜博士合作，在国际知名期刊Angewandte Chemie上发表题为“Molecule and Microstructure Modulations of Cyano-containing Electrodes for High-Performance Fully Organic Batteries”的研究文章。该文章以小分子氰基化合物-对苯二氰基为研究对象，利用分子结构和微结构调控的手段，成功开发了一种碳纳米管/氟化氰基聚合物复合核壳异质结构电极材料。核壳异质结构电极材料实现了高的比容量、优异的倍率性能和良好的循环稳定性，为探索高性能有机电极材料的研究提供了新思路。

氰基的强极性赋予氰基电极材料较高的理论电位，然而，强极性同样会导致氰基电极材料极易溶解在极性的电解液溶液中。聚合是解决小分子材料溶解的有效手段，通过硫醚的连接作用，将氰基活性官能团锚定在分子链上，可以有效阻止氰基活性物质的溶解。此外，氟原子取代能够调控聚合物分子的前线轨道结构，提高电极材料的电导率和放电电位。分子结构的合理设计是实现氰基电极材料稳定循环性能的重要保障。

为解决聚合物电极材料活性位点利用率低和导电性差等问题，通过简易的原位聚合方法构建碳纳米管/氟化氰基聚合物复合核壳异质结构电极材料，其中氟化氰基聚合物纳米片交织生长在碳纳米管表面。碳管内核可以提高电子的传递效率，互连网状的氟化氰基聚合物纳米片可以促进离子的扩散以及增加活性位点的暴露。得益于这种有利的分层异质结构，复合电极材料实现了高可逆容量、高倍率性能以及优异的循环稳定性。

结合原位衰减全反射红外光谱、原位拉曼光谱和理论模拟等手段，全面揭示了氰基聚合物的离子存储机理，厘清了当下氰基化合物储能机制的争议。氰基的离子储存机理涉及到锂离子与氰基之间的配位作用以及沿着共轭骨架的电子离域化。

与无机电极材料相比，有机电极材料具有理论容量高、来源丰富、成本低廉、资源可再生、环境友好和结构可设计性强等优点，被视为极具发展前景的电化学储能材料。组装全有机电池可以最大化有机电极材料的优势，同时可以最小化使用中的安全问题和环境污染问题。基于高性能有机电极组装的非对称全电池验证了全有机电池概念的可行性，为设计具有高成本效益和长寿命的全有机电极提供了新的见解。

Molecule and Microstructure Modulations of Cyano-containing Electrodes for High-Performance Fully Organic Batteries

杨应奎，教授、硕士生/博士生导师，英国皇家化学会会士，武创院现代纺织技术研究所所长。国家民委领军人才支持计划、教育部“新世纪优秀人才”支持计划、湖北省创新群体负责人、湖北省杰出青年科学基金、湖北省楚天学者计划和全国百篇优秀博士学位论文（提名奖）入选者。湖北省化学化工学会理事，SCI源刊Energy & Environmental Materials创刊副主编。长期从事聚合物及纺织基能源材料的基础研究和应用开发，主持国家自然科学基金(6项)、省部级重点项目和企业合作项目等30余项。迄今，以第一/通讯作者在Chemical Society Reviews、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Angewandte Chemie、Materials Science & Engineering R、Materials Today、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Acs Nano、Nano Energy、Macromolecules等主流期刊上发表sci论文100多篇，其中封面论文17篇；主/参编中英文专著9部；获授权中国发明专利19项，完成技术转化3项；获省部级教研奖4项。

张蓉瑜博士，毕业于吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室。2019年加入沈阳航空航天大学理学院，是高能化学电源团队和国家级一流课程团队的骨干成员。长期致力于储能材料设计与反应机理研究，目前专注于电解质及界面反应动力学的研究方向。迄今为止，已在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., J. Power Sources、ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上发表了26篇论文，并取得了10余项专利授权。