基于氧化还原活性给体-受体共轭微孔聚合物的高电压高倍率对称全有机锂电池研究

为解决对称全有机电池(SAOBs)存在的容量衰减快、平均电压低(≤1.6 V)和比容量不足(≤150 mAh g?1)等问题，研究人员设计了一种新型氧化还原活性给体-受体(D-A)共轭微孔聚合物BTSZ。该材料通过整合富电子苯并三噻吩(BTT)和缺电子噻唑并噻唑(TzTz)单元，实现了高效锂离子存储(926 mAh g?1@0.1 A g?1)和高电压阴离子存储(182 mAh g?1@2.6 V)。所构建的SAOB展现出178 mAh g?1的可逆容量、2 V的平均电压及400次循环80%容量保持率的优异性能，为高性能有机电池设计提供了新思路。

　　

在能源存储技术快速发展的今天，对称全有机电池(SAOBs)因其可持续性和环境友好特性备受关注。然而这类电池长期面临三大技术瓶颈：有机电极溶解导致的循环寿命短、氧化还原电位差不足造成的平均电压偏低(通常≤1.6 V)，以及活性位点密度有限引发的比容量低下(普遍≤150 mAh g^?1)。这些缺陷严重制约了SAOBs的实际应用，亟需开发兼具稳定框架和高效氧化还原活性的新型有机电极材料。

针对这一挑战，国内研究人员在《Materials Today Energy》发表了一项突破性研究。该团队创新性地设计出具有给体-受体(D-A)结构的共轭微孔聚合物BTSZ，其分子架构巧妙融合了富电子的苯并[1,2-b:3,4-b':5,6-b'']三噻吩(BTT)单元与缺电子的噻唑并[5,4-d]噻唑(TzTz)模块。这种设计通过打破传统共轭聚合物的π电子均匀分布，不仅显著提升了电荷传输效率，还同时嵌入了可进行阳离子/阴离子氧化还原的双重活性中心。

研究采用溶热聚合法合成BTSZ材料，通过电化学测试、光谱分析和理论计算等手段系统评估其性能。关键实验技术包括：1) 采用恒电流充放电测试评估倍率性能和循环稳定性；2) 通过循环伏安法确定氧化还原电位；3) 利用密度泛函理论计算最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)能级；4) 采用原位光谱技术追踪充放电过程中的结构演变。

【合成与表征】
BTSZ通过BTT-CHO与二硫代乙二酰胺的缩聚反应制得，结构表征证实其具有高度共轭的sp²-碳骨架。理论计算显示D-A结构使HOMO(-5.12 eV)和LUMO(-3.45 eV)能级显著分离，为高电压输出奠定基础。

【电化学性能】
作为阳极时，BTSZ在0.3 V以下展现出926 mAh g^?1的超高锂存储容量(0.1 A g^?1)；作为阴极时，则在2.6 V以上实现182 mAh g^?1的阴离子存储能力。这种独特的双极性存储特性源于sp²-碳骨架的阳离子存储和BTT/TzTz衍生的硫自由基阴离子存储机制。

【电池性能】
组装的对称全有机电池实现2 V的平均工作电压（比传统SAOBs提高25%），在1 A g^?1电流密度下循环400次仍保持80%容量，5 A g^?1高倍率下仍有85 mAh g^?1的容量输出。这种卓越性能归因于：1) D-A结构促进的快速电荷转移；2) 刚性共轭骨架赋予的结构稳定性；3) 双活性中心实现的高电位差。

该研究通过分子工程策略成功解决了有机电极材料溶解性差、电位窗口窄等关键科学问题。BTSZ材料创新的D-A结构设计为开发高电压、高倍率有机电池提供了全新思路，其2 V的平均工作电压创造了SAOBs的新纪录。特别是材料在保持高容量的同时实现5 A g^?1的超高倍率性能，证明共轭微孔聚合物在快充电池领域的巨大潜力。这项工作不仅推动了有机电极材料的发展，也为设计下一代可持续能源存储系统提供了重要理论指导和技术参考。