陈忠伟院士团队Chem. Soc. Rev. 多孔有机聚合物在锂基电池中的应用- 大数跨境

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陈忠伟院士团队Chem. Soc. Rev. 多孔有机聚合物在锂基电池中的应用

科学材料站

2022-03-20

导读：该文章阐述了多孔有机聚合物材料（POP）的分类及其在基于锂化学的电池体系中的应用

文章简介

本文中，陈忠伟院士团队在国际知名期刊Chem. Soc. Rev.上发表题为“Porous organic polymers for Li-chemistry-based batteries: functionalities and characterization studies”的教程类综述文章。

该文章阐述了多孔有机聚合物材料（POP）的分类及其在基于锂化学的电池体系中的应用，并系统介绍了POP作为电池中活性物质载体、催化剂、隔膜、电解质、固体电解质膜及载体材料的前驱体这六方面的重要工作，同时全面总结了原位成像及谱学表征技术在电化学过程中POP形貌、结构、物相解析及反应机理揭示等方面的贡献。

图 1 综述文章导图

本文要点

要点一：POP 材料的分类

本文介绍了锂电池中常研究的五种POP材料，包括共价有机框架材料（COF）、超交联聚合物材料（HCP）、固有微孔聚合物材料（PIM）、共轭微孔聚合物材料（CMP）及多孔芳香聚合物框架材料（PAF）。依据这五种材料的结构特征，文章从晶体学角度将上述材料归类为非晶和晶态两种并对其结构特征及组分特点进行阐释。

图 2 多孔有机聚合物的分类

要点二：POP 材料在锂基电池中的应用

POP 材料因其结构及功能的多样性在锂基电池中使用时具有不同的特点，通过有针对性的甄选及结构设计可使 POP 在电池中实现优异的性能。本文总结了上述五种材料的电导率、稳定性、孔尺寸及功能性，并按其在电池中的用途分为六大类，包括活性物质载体、催化剂、隔膜、电解质、固体电解质膜及载体材料前驱体。通过材料的功能化结构理性设计以改善其电化学性能，明确材料的构效关系。

图 3 多孔有机聚合物在锂电池中的应用

要点三：原位表征技术揭示反应机制

POP材料原位表征研究的日益增涨意味着原位技术在电池领域研究的快速发展。本文还介绍了通过化学键、形貌及晶体结构三方面的原位表征揭示POP材料在电化学过程中结构转变的技术及其对反应机理解析的贡献。

比如，借助原位表征技术可深入分析POP 作为活性材料时在电化学过程中与锂的相互作用及储锂方式，从而阐明其在锂电池中具有较高放电容量的原因。原位表征技术的普及及多样化也为未来 POP 材料的研究及其机理揭示提供了更多途径。

要点四：展望

近年来，POP材料因其结构的多样性、可设计性使其成为了近年来的明星材料，在锂基电池领域及其他储能材料的研究中独树一帜。虽然 POP 材料相关的研究文章飞速增长，然而对POP的了解和研究仍处于起步阶段，只有少数 POP 应用到了电池领域中，“捅破天”的研究工作数量有限。

此外POP的应用仍处于实验室阶段，如何让POP走出实验室，实现大规模制备以加速其在商业市场中的应用，从而让 POP能够“扎到地”也是未来研究的一个重要方向。为此，在材料制备方面，开发POP 材料结构骨架及官能团的可控设计及原位制备技术具有重要意义。

同时，POP 材料的制备更需要考虑其成本、环境友好性以满足大规模生产需求。在电化学性能改善方面，研究人员更需要考虑 POP 材料在电池内部可能存在的副反应及其对性能的影响，例如与锂金属的副反应、高电压下的分解等等。

此外，未来的研究更应考虑材料在安时级别的实用化电池体系中的性能，从而明确电池在工况条件下的表现及失效机制，而这是仅凭扣式电池测试所难以实现的。另一方面，使用时间分辨的原位表征技术有助于分析材料的结构演化过程，从而明确材料的构效关系，进而反馈材料设计与合成以创制新的反应机制与失效机理具有重要的科学意义与研究价值。

文章链接

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/cs/d1cs01014j

通讯作者简介

陈忠伟院士

加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，加拿大国家讲座教授，滑铁卢大学化学工程学院和纳米技术工程中心教授、博士生导师，应用纳米材料与清洁能源实验室主任，滑铁卢大学电化学能源中心主任，国际电化学能源科学院副主席。陈忠伟院士是知名杂志社美国化学学会旗下期刊ACS Applied Materials & Interfaces的副主编及多个其它国际知名期刊的编委，也是加拿大、美国和中国等国家自然科学与技术等重要基金评委。他致力于燃料电池、高能硅基锂离子电池、锂硫电池、锌空储能电池以及超级电容器的先进纳米材料开发与产业化。以第一作者或通讯作者身份，在Nature Energy等国际重要学术刊物上发表论文400余篇，被引近42000余次，H因子达101，另外，编著3部，章节11章，申请/授权美国、中国和国际专利60余项。多次担任重要国际学术会议主席，并多次做特邀大会报告。陈忠伟院士曾获2016年度加拿大最高国家科技奖，2017年度当选为加拿大工程院院士，同时获得由加拿大皇家科学院颁发的卢瑟福纪念奖章以奖励其在先进电池材料和燃料电池等科学研究领域所做出的杰出贡献。陈忠伟院士享有极高全球学术影响力，连续多年被科睿唯安评选为“高被引学者”。2019年当选为加拿大皇家科学院院士，成为加拿大最年轻的两院院士。

王新教授

华南师范大学研究员，广东省杰出青年，主要研究方向为新能源材料与器件。曾获得教育部自然科学奖一等奖，主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省新型研发机构等项目；目前已申请专利66件，获批发明专利36件，并以第一作者或通讯作者发表论文90余篇，被引次数4600 次，H 值为 35。相关代表性研究成果以第一/通讯作者发表在J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun.，Adv. Mater.， Adv. Energy Mater.，Appl. Catal. B, Energy Storage Mater. 等行业高水平期刊上。

第一作者简介

罗丹博士

毕业于滑铁卢大学，长期致力于锂硫电池等新能源器件关键材料的开发与应用，擅长储能材料微纳结构构筑及其反应机理解析，深入揭示储能材料新结构、新机理与性能之间的内在关联，为储能材料的系统化工程研究奠定基础。近五年以第一作者身份在国际知名学术期刊Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.等刊物发表SCI论文26篇, 被引3400余次，H因子32。