東北大學理學院在導電聚合物儲能材料領域取得重要突破

2020-11-02 東北大學

近日，我校理學院化學系博士研究生張明玥的研究論文「Redox Poly-Counterion Doped Conducting Polymers for Pseudocapacitive Energy Storage」在國際權威期刊《Advanced Functional Materials》上發表，化學系劉曉霞教授和宋禹博士為共同通訊作者，我校分析測試中心在TEM測試方面提供了關鍵測試數據支撐服務。

導電聚合物（Conducting polymers，CPs）被廣泛應用於電化學儲能等領域。本徵態導電聚合物導電性差，通過摻雜可大幅提升其導電性。傳統的導電聚合物摻雜劑（如硫酸根離子、萘磺酸根離子等）不具備電化學活性，這使得電極材料中存在大量非活性物質。以β-萘磺酸根摻雜的聚吡咯為例（摻雜度為37.5%），其摻雜劑質量佔聚合物總質量的50%以上，嚴重降低材料的比容量。此外，為滿足實際應用需求，商業化電極材料負載量通常要達到10 mg cm-2或更高。然而，增加負載量必然引起電極材料厚度增加，材料內部電子和離子傳導阻力隨之變大，最終導致電極材料性能急劇下降。因此，製備高性能、高負載量的導電聚合物材料是科學界面臨的瓶頸問題。

該項研究工作提出新穎的「氧化還原活性多酸離子摻雜」策略，用以提升高載量導電聚合物的電化學性能。以七鉬酸根離子為摻雜劑製備的聚吡咯電極材料負載量可達0.2 g cm-2。面積電容高達47 F cm-2，是迄今為止文獻報導的最高值。主要學術創新點包括：發現導電聚合物與多酸離子摻雜劑之間存在較強相互作用，使得誘導聚合物導電性提升；首次採用球差校正電鏡觀察到多酸離子摻雜劑在導電聚合物中具體的存在形式，證明無機多酸陰離子作為空間「支柱」，構建開放離子通道，可供離子在聚合物中快速傳輸；證明電化學活性多酸離子提供額外的電荷儲存電容。此策略同樣適用於其他導電聚合物，普適性強，為導電聚合物在電化學儲能領域的實際應用提供了新機遇。

《Advanced Functional Materials》是材料、化學與能源領域國際公認權威期刊。據悉，我校化學系孫筱琪教授2019年在該期刊發表第一篇東北大學唯一通訊單位論文。此次，是我校以唯一通訊單位第二次在該期刊發表論文。

圖一 七鉬酸根離子摻雜的聚吡咯材料製備、表徵及其電化學性能

圖二 超高負載量聚吡咯電化學及器件性能圖

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