近年来，绿色电池的发展越来越备受关注，高性能铝离子电池因具有高能量密度、安全性好、资源丰富等优势而快速崛起，为解决当前能源和环境危机提供了新的方案。铝离子电池正极材料一直是研究热点，但是传统的无机过渡金属材料理论容量有限，而且其缓慢的氧化还原动力学、严重的体积膨胀和不可逆的转化反应等诸多问题成为限制未来铝电池发展的瓶颈。相比而言，有机正极材料经济环保，氧化还原位点丰富，电化学可逆性强，结构设计灵活多样化。其中，含羰基的醌类化合物（C=O）作为最典型的有机电极材料，可以通过络合作用进行储铝，然而庞大的铝离子基团在离子液体电解液中扩散迟滞，也降低了自身与醌类化合物的络合效率。尽管含氮的吡嗪稠环化合物（C=N）也曾被用于铝离子电池的研究中，但显示出较低的电压平台和不稳定的电池性能。
近日，昆士兰大学的罗彬/王连洲/Yusuke Yamauchi团队合作，首次提出基于双位点协同机制的有机铝离子电池体系。在该研究中，作者另辟蹊径对醌类化合物进行纳米结构设计，构筑含有双官能团的杂环共轭聚合物并作为一种新型的有机铝电正极材料。当在羰基β位引入氮原子时，C=N能够协同C=O稳定地结合庞大的铝离子基团，为开发高性能、低成本的有机铝离子电池提供了新思路。
图1. 铝-聚合物电池机理示意图
作者采用含C=O和C=N双官能团的杂环共轭聚合物为正极，绿色经济的氯化铝/尿素(AlCl3/urea)为电解液，所得铝-聚合物电池展现出如下特点。
（1）聚合物中稠合的C=N不仅形成稳定的π-π共轭体系，而且辅助相邻的C=O结合大体积铝离子基团AlCl2(urea)2+，赋予聚合物较强的氧化还原活性和出色的稳定性。作者通过密度泛函理论计算（图2）和各种先进表征技术证实了这种C=O和C=N双活性位点协同的储能过程具有较好的可逆性，并且每个聚合物构筑单元可以结合四个AlCl2(urea)2+，从而实现4电子转移。此外，电化学动力学分析表明，电极中的电荷存储以离子扩散和电容过程为主，有利于AlCl2(urea)2+的快速存储和显著的长期循环性。
（2）聚合物延展的π-π共轭网络赋予电极较好的导电性和功能化设计的灵活性。作者通过引入碳纳米管通道有效减少了聚合物的团聚，从而暴露出更多的氧化还原位点，而且提高了电极的稳定性和材料整体的离子和电子传输效率。
（3）基于材料独特的结构优势和可逆的C=O和C=N协同机理，电池实现1.4 V 的输出电压，295 mAh g-1（0.1 A g-1）的高比容量和4000圈的长循环性能。413 Wh kg-1的比能量密度优于迄今为止报道的大多数含有单一官能团的铝电池有机电极材料（图3）。
图2. 密度泛函理论计算
图3. 铝-聚合物电池的电化学性能
本文所提出的双官能团协作的杂芳烃共轭聚合物正极、铝金属负极和低成本AlCl3/urea电解液的组合，在未来的规模储能应用中具有广阔的应用前景。
以上成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition，文章的第一作者是昆士兰大学的博士研究生彭喜月和谢园博士。
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Heterocyclic Conjugated Polymer Nanoarchitectonics with Synergistic Redox-active Sites for High-performance Aluminium Organic Battery
Xiyue Peng, Yuan Xie, Ardeshir Baktash, Jiayong Tang,Tongen Lin, Xia Huang, Yuxiang Hu, Zhongfan Jia, Debra J. Searles, Yusuke Yamauchi*, Lianzhou Wang,* Bin Luo*
Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202203646
研究团队简介
罗彬 （Bin Luo），昆士兰大学澳大利亚生物工程与纳米科技研究所（AIBN）澳洲基金委未来学者（ARC Future Fellow）及课题组长。2008年于中南大学冶金科学与工程学院获工学学士学位，2013年于中国科学院大学（国家纳米科学中心，师从智林杰研究员）获物理化学博士学位。2014年加入昆士兰大学纳米材料研究中心王连洲教授团队，先后获得UQ Postdoctoral Research Fellowship，ARC DECRA Fellowship，和 ARC Future Fellowship等项目资助。主要从事功能纳米材料的可控制备及其在储能领域的应用，致力于下一代储能材料与技术的开发与应用，包括多价离子电池、金属-硫电池、液流电池、固态微纳电池、太阳能充电电池等。迄今已在Adv Mater, Angew Chem, Adv Energy Mater, Energy Environ Sci等国际期刊发表学术论文100余篇，学术论文总引用次数达9000余次，H因子47，已授权国家发明专利13项。曾获得中国科学院优秀博士学位论文奖，中国科学院院长优秀奖，北京市科学技术奖，昆士兰大学研究优秀奖，澳大利亚基金委青年学者和未来学者等多个荣誉奖项。承担或参与了澳大利亚基金委、澳洲同步辐射中心以及昆士兰大学等竞争性研究项目十余项。
课题组诚招新型储能材料与技术方向的博士研究生，欢迎有志青年加盟，详情可发送简历到 b.luo1@uq.edu.au咨询
UQ researcher profile:
https://researchers.uq.edu.au/researcher/10807
王连洲（Lianzhou Wang），昆士兰大学化工学院教授和澳大利亚桂冠教授，澳大利亚纳米材料研究中心（Nanomac）主任，澳大利亚生物工程与纳米技术研究所（AIBN）兼职高级课题组长。1999年在中科院硅酸盐研究所获博士学位。主要从事半导体纳米材料的合成及其在清洁能源领域的应用，2018年其团队创造了新型量子点太阳能电池认证转换效率的世界记录。先后在诸多国际学术期刊发表论文400余篇，承担或参与了澳大利亚基金委、澳洲科学院、昆士兰州政府以及工业界等40余项竞争性研究项目。获得澳洲基金委女王伊丽莎白学者，未来学者和桂冠学者称号，昆士兰大学研究优秀奖及优秀研究生导师奖，澳洲寻找未来之星奖，国际化工学会杰出研究奖等，入选澳洲基金委专家委员会和英国皇家化学会会士，科睿唯安“高被引科学家”等。任澳洲材料科学与工程全国委员会副主任。
https://www.x-mol.com/university/faculty/29292
Yusuke Yamauchi，澳大利亚生物工程与纳米科技研究所（AIBN）课题组长，昆士兰大学化工学院教授。2007年在早稻田大学获得博士学位，随后加入日本国立材料科学研究所 (NIMS)，成立课题组并担任早稻田大学纳米科学与纳米工程系教授。2016年获得 ARC Future Fellowship，担任卧龙岗大学澳大利亚创新材料研究所超导与电子材料研究所教授。2017 年起至今担任AIBN 高级课题组长，化工学院教授，兼任NIMS名誉组长，全球多所大学的客座/兼职/名誉教授，著名期刊（Small, J. Inorg. Organomet. Polym. Mater.等）的顾问委员会成员。以及皇家化学学会 (RSC) 和化学工程杂志 (Elsevier) 出版的 Journal of Materials Chemistry A 的副主编。
https://www.x-mol.com/university/faculty/49986
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