陕西师范大学何晓明教授课题组，JMCA：纤维状噻唑并噻唑桥联紫精聚合物用于高性能锂离子电池- 大数跨境

首页

陕西师范大学何晓明教授课题组，JMCA：纤维状噻唑并噻唑桥联紫精聚合物用于高性能锂离子电池

科学材料站

2021-08-10

导读：该工作是基于“聚合+自组装”的策略，制备了具有独特纤维网络结构的紫精基多孔共轭聚合物，并将其用作锂离子电池的电极材料。

文章信息

纤维状噻唑并噻唑桥联紫精聚合物用于高性能锂离子电池

第一作者：陈玲‡，朱晓林‡

通讯作者：朱晓林*，何晓明*

单位：陕西师范大学化学化工学院

研究背景

有机氧化还原活性材料因其丰度高、成本低、重量轻、结构多样性和可调电化学性能等诸多优点，成为下一代可持续锂离子电池极具潜力的候选材料。

其中，紫精类化合物（4,4'-联吡啶季铵盐）由于较高的理论比容量、良好的氧化还原性能而受到越来越多的关注。已有报道表明，通过在骨架上引入桥联键、杂原子，或者改变氮中心的取代基（烷基化或芳基化），可以有效调节紫精化合物的光电性质。但由于紫精小分子易溶于电解液从而导致电池容量迅速衰减，研究者通过聚合反应来降低活性物质的溶解度从而提高电池稳定性。

然而，传统的聚合物通常是无定形的块状固体，往往会导致活性中心利用不足和离子传输缓慢。因此，将具有氧化还原活性紫精单元嵌入多孔框架中，形成比表面积大、具有良好导电性的多孔结构，是实现高性能锂离子电池的良好策略之一。

尽管目前已经开发了一系列共轭微孔聚合物电极材料，但设计具有多孔网络和优异电化学性能的紫精基共轭聚合物用作储能材料仍非常少见。

文章简介

基于此，陕西师范大学的何晓明教授、朱晓林副研究员与香港城市大学的张其春教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Fibrous Thiazolothiazole‐bridged Viologen Polymer for High‐Performance Lithium‐Ion Batteries”的研究论文。

该工作是基于“聚合+自组装”的策略，制备了具有独特纤维网络结构的紫精基多孔共轭聚合物，并将其用作锂离子电池的电极材料。该聚合物表现出了较高的比容量和优异的循环稳定性，是已报道的最好的有机电极材料之一。

图1. 聚合物P1的合成及锂离子电池的示意图

本文要点

要点一：首次合成“一步双电子”还原能力的N-芳基化的Py2TTz紫精分子

传统的紫精类化合物，由于两个吡啶环直接相连，往往表现出“两步单电子还原”过程，这非常不利于电池的快速充放电，同时也会影响电极材料的稳定性。

针对该问题，本文以噻唑并噻唑（TTz）桥联紫精为母体，平面型TTz分子的引入，一方面增大了体系的共轭程度，有利于稳定还原产物；同时其吸电子的性质也减小了两个吡啶环之间的电势差。

进一步通过N-芳基化策略，首次制备了一系列新型的N-芳基化Py2TTz紫精类小分子，它们具有可逆的“一步双电子还原”过程。与N-烷基化衍生物相比，将原先的“两步单电子”转移过程变成为“一步双电子转移”的过程，将在有机电池中提供稳定的充放电平台，并防止能量以热量的形式损失。

要点二：合成具有高比表面积的柔性纳米纤维聚合物

图2. 聚合物P1的SEM图（左）和TEM图（右）

不同于以往文献报道的复合纤维状材料，该工作是基于“聚合+自组装”的策略，通过控制聚合反应条件，进行聚合反应的同时，在超分子相互作用（包括π-π堆积和静电作用力等）的协同下，首次制备尺寸均一的纤维状共轭多孔聚合物P1。

该聚合物具有丰富的微孔结构（0.6-2.7 nm）、高比表面积（314.2 m2g−1）和较高的结晶性能。这独特的结构为锂离子存储提供了更多的活性中心，加速锂离子和电子传输，从而更好发挥电池性能。

要点三：优异的锂离子电池性能

图3. 在锂离子电池中的长寿命循环测试

相比于非共轭的线性聚合物P2，纤维状的P1用作电极材料组装成锂离子电池时表现出了高的比容量和优异的循环稳定性。

在高电流密度（800mA g−1）下循环1000次后，P1仍显示出358.8mAh g-1的高容量，容量保持率接近100%，具有非常出色的循环稳定性，是目前已报道的性能优异的有机电极材料之一。

文章链接

Fibrous Thiazolothiazole‐bridged Viologen Polymer for High‐Performance Lithium‐Ion Batteries

https://doi.org/10.1039/D1TA03784F

通讯作者介绍

何晓明教授，博士生导师，海外高层次引进人才。

于2010年11月在香港大学获得博士学位，2011-2014年先后在密西根大学、卡尔加里大学、阿尔伯塔大学从事博士后研究，2014-2016年作为玛丽居里学者在布里斯托大学进行科研工作。主要研究方向为功能光电材料和可控超分子组装，在Nat. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater. 等国际知名期刊上发表论文50余篇。

朱晓林副研究员，硕士生导师。

于2015年6月在南京工业大学获得博士学位，2015-2019年先后在美国北达科他州立大学、美国新泽西理工学院、美国圣地亚哥州立大学从事博士后研究。主要研究方向为有机光电功能材料及光催化研究，以第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., ACS Energy Lett., J Mater. Chem. A 等高水平期刊发表论文近20篇。

第一作者介绍

陕西师范大学2019级硕士研究生陈玲和副研究员朱晓林为文章的共同第一作者。

课题组介绍

何晓明课题组主要研究方向为开发多尺度 (小分子、聚合物、自组装纳米到微米材料)的新型功能有机/无机材料，用于传感、储能、光催化和有机发光器件等领域。

课题组主页：http://xmhe.snnu.edu.cn

课题组招聘

课题组欢迎有机\高分子合成、纳米材料制备、有机光电子学等相关领域的学生和学者加入我们课题组。