中南民族大学杨应奎教授《AFM》：链式工程聚酰亚胺作为电池的高性能双电极！

有机氧化还原活性聚合物是采用过渡金属资源的锂离子电池有前景的电极替代品。然而，这种不含金属的电极材料实际存在着电子传导率低和活性位点利用不足的问题。

近日，中南民族大学杨应奎教授通过2,6-二氨基蒽醌（DAAQ）和酸酐之间的缩聚，合成了热亚胺化聚酰亚胺，以作为高性能有机聚合物电极。研究发现，其中由吡喃二酐和DAAQ衍生的含醌聚酰亚胺（PMAQ）表现出最高的容量和倍率性能。此外，作者进一步通过原位聚合将碳纳米管（CNT）封装在密集交错的PMAQ纳米片上，获得了核壳异质结构复合材料（CNT@PMAQ）。值得注意的是，CNT@PMAQ正极在0.05 A g-1和5 A g-1时的可逆容量分别为163 mAh g-1和122 mAh g-1。此外，CNT@PMAQ也可被用作负极，在0.05 A g-1时具有1158 mAh g-1的高容量。因此，采用CNT@PMAQ作为双极电极的对称全电池被组装起来，其在1801 W kg-1的功率密度下提供了103 Wh kg-1的高能量密度。总之，这项研究采用了一种不同寻常的策略，通过设计大分子链和构建核壳异构体来解除活性位点利用率低的障碍，实现了高速电荷存储。同时，将双极电极材料耦合到对称全电池将进一步刺激低成本可持续电池的发展。

文章要点：

1. 这项工作通过链工程策略调节酸酐单体，合成了一系列具有不同链结构的热酰亚胺。其中，由吡喃二酸酐（PMDA）和DAAQ衍生的含醌聚酰亚胺（PMAQ）由于具有最窄的最低未占分子轨道（LUMO）-最高占分子轨道（HOMO）间隙和最低的分子量，表现出最高的比容量和最佳的倍率性能。

2. 为了促进电子传导性，通过原位聚合将CNT纳入PMAQ基体，形成具有核壳异质结构的CNT@PMAQ复合材料。围绕CNT的PMAQ纳米片独特的氧化还原活性壳赋予了活性点的充分暴露、快速的离子扩散路径和持续的电子传输。

3. 结果，CNT@PMAQ正极在0.05 A g-1时提供了163 mAh g-1的高容量，在5 A g-1时提供了122 mAh g-1的巨大倍率能力。此外，CNT@PMAQ复合材料也被用作LIB负极，在0.05 A g-1时显示出1158 mAh g-1的大容量，这是基于共轭芳香环的超锂化机制。

4. 考虑到其双极特性，一个对称的CNT@PMAQ//CNT@PMAQ全电池被成功组装，并在1801 W kg-1的功率密度下输出1.8 V的平均工作电压，能量密度高达103 Wh kg-1。

图1 材料合成及表征

图2 PMAQ作为正极的电化学性能

图3 CNT@PMAQ作为正极时的电化学性能

图4 CNT@PMAQ正极的动力学研究

封面来源：图虫创意