基于苝二酰亚胺-七嗪聚合物网络的高效锂镁电池正极材料研究

这篇研究报道了一种通过离子热聚合法合成的新型有机电极材料Melem-PDI（苝二酰亚胺-七嗪聚合物网络），其与碳纳米管(CNT)复合的Melem-PDI-CNT在锂离子电池(LIB)中展现出卓越的循环稳定性（5000次循环@500 mA g?1），在镁电池(RMB)中则表现出扩散控制的储能机制。该工作为经典染料分子（如PDI）在储能领域的再利用提供了新思路，同时为后锂时代电池技术开发了高性能有机正极材料。

　　

1 引言

锂离子电池(LIB)虽主导储能市场，但其无机电极材料面临资源稀缺和环境污染问题。有机电极材料凭借可分子设计、环境友好等优势成为研究热点，但存在溶解性和导电性差的挑战。本研究通过将苝四甲酸二酐(PTCDA)与七嗪(melem)聚合，构建了具有扩展π共轭体系的Melem-PDI网络，并通过原位引入多壁碳纳米管(MWCNT)显著提升导电性。

2 结果与讨论

2.1 合成与表征

离子热聚合反应在250°C熔融盐中高效进行，产物收率达85%。固态¹³C NMR显示160-173 ppm区间的酰亚胺羰基特征峰，FT-IR证实了酐基向酰亚胺的转化（1690 cm^?1）。XPS分析显示表面C/N比从melem的0.84提升至Melem-PDI-CNT的7.67，TEM观察到纳米针状形貌（140 nm×2.4 μm），比表面积达94 m² g^?1。

2.2 锂离子存储性能

CV测试显示2 V/2.25 V的宽氧化还原峰，b值接近1表明赝电容主导机制。ex situ FT-IR发现864 cm^?1处C-N-Li键形成，证实七嗪单元参与储锂。Melem-PDI-CNT在500 mA g^?1下循环5000次容量保持85%，阻抗谱显示其电荷转移电阻比纯聚合物低90%。

2.3 镁电池性能

Mg[B(hfip)₄]₂/DME电解液体系中，CV出现1.63 V/2.03 V的尖锐氧化还原峰，b值0.54显示扩散控制机制。虽然初始容量仅40 mAh g^?1，但500次循环后仍保持58%容量，表明酰亚胺羰基的可逆镁化反应。

3 结论

该研究通过分子拓扑设计实现了PDI染料的高值化利用，Melem-PDI-CNT在LIB中展现超长循环寿命（5000次），在RMB中则揭示了二价镁离子的独特存储机制。未来工作将聚焦锌残留影响和全有机电池构建，为可持续储能提供新范式。