摘要
无金属有机电极材料因其环境友好性、天然丰富性和结构多样性而受到越来越多的关注。聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS）是一种具有导电性的聚合物盐，作为一种多功能电极材料脱颖而出，既可用作导电添加剂，也可用于能量存储应用中的粘合剂。有机电极材料本身的电子导电性较低，通常需要添加大量的导电碳添加剂，但这会降低整体能量密度。为了解决这一问题，研究人员将PEDOT:PSS作为聚(3-乙烯基-N-甲基吩噻嗪)（PVMPT）氧化还原聚合物电极中传统导电碳的部分替代品进行了研究。值得注意的是，即使PVMPT的含量高达80 wt%，碳含量降至15 wt%，这种复合电极在1C倍率下仍能实现84 mAh g?1的可逆容量，这一性能大约相当于PVMPT含量为50 wt%且碳黑含量为45 wt%时的容量。重要的是，该电极的制备过程采用水基工艺，并使用羧甲基纤维素（CMC）作为粘合剂，完全避免了使用N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）和聚偏二氟乙烯（PVdF）等有害溶剂。总体而言，这些结果凸显了PEDOT:PSS在实现低碳含量、高性能和环保有机电池电极方面的潜力，符合可持续能源存储的理念。
1 引言
由于电动汽车和便携式电子产品的快速发展，全球对锂离子电池（LIBs）的需求日益增加，从而加剧了对锂、钴和镍等关键矿产资源的消耗，而这些矿物是LIB正极材料的重要组成部分。[1-4]虽然电池化学技术和报废管理方面的进步为满足未来的能源需求提供了潜在的解决方案，但对稀缺且不可再生资源的依赖引发了紧迫的可持续性挑战。这些原材料的开采和制造过程对环境造成了巨大负担。此外，供需之间的潜在不平衡进一步加剧了这些问题，导致价格波动和生态影响加剧。因此，寻找可持续的替代品已成为当务之急。[5-7]
在这方面，无过渡金属的有机电极材料因其优异的电化学性能和环保特性而备受推崇，这与可持续性目标高度契合，例如降低成本、使用可再生资源以及减少报废处理过程中的能源消耗。[5, 8-10]它们的结构多样性支持n型和p型电荷存储，使得电池配置更加多样化。[8, 11-13]然而，这些材料的一个主要挑战是它们本身的电子导电性较低，因此需要添加大量的导电添加剂。另一个主要问题是小有机分子在电解质中的溶解问题。通过盐化、引入多孔导电材料、优化电解质和聚合等方法可以缓解这一问题。[14-16]针对电子导电性低的问题，可以采用专门的导电添加剂，但这一策略目前仍较少被探索。一些研究探讨了使用特殊导电碳材料，既可以作为额外的导电添加剂，也可以在合成过程中进行原位涂层处理，从而减少所需的碳含量并提高导电性。[17-20
属于噻吩家族的导电聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS）因其低毒性、水溶性、良好的电化学稳定性（最高可达4.2 V）以及优异的热学、化学和机械性能而受到广泛关注。[21-23]PEDOT:PSS的导电性取决于制备条件，范围在6.23 × 10?2至4.2 S cm?1之间。[22, 24, 25通过引入甲酸等二次掺杂剂可以进一步提高其导电性。[22这种高导电性源于掺杂后PEDOT主链上空穴的离域效应，从而实现高效的电荷传输，而掺杂后的PEDOT中的正电荷则由PSS掺杂剂稳定。[22, 25由于其高导电性，PEDOT:PSS可以替代传统的导电材料（如碳黑）。[21, 22, 26PEDOT由π-共轭的3,5-乙烯二氧噻吩单元组成，其正电荷由PSS中的磺酸根阴离子平衡，形成稳定的离子复合物。[17PSS作为一种聚合物表面活性剂，有助于PEDOT在水溶液中的均匀分散和稳定。它还具有良好的机械柔韧性和强粘附性，使其成为有效的粘合剂，能够轻松在活性材料颗粒上形成均匀的薄膜，确保与集流体良好接触。[21该材料已被应用于无机和有机电极中，展现出多种功能。[17, 21, 22, 27, 28
