东北大学理学院在导电聚合物储能材料领域取得重要突破


近日,我校理学院化学系博士研究生张明玥的研究论文Redox Poly-Counterion Doped Conducting Polymers for Pseudocapacitive Energy Storage”在国际权威期刊Advanced Functional Materials》上发表(http://doi.org/10.1002/adfm.202006203),化学系刘晓霞教授和宋禹博士为共同通讯作者,我校分析测试中心在TEM测试方面提供了关键测试数据支撑服务。

导电聚合物(Conducting polymers, CPs)被广泛应用于电化学储能等领域。本征态导电聚合物导电性差,通过掺杂可大幅提升其导电性。传统的导电聚合物掺杂剂(如硫酸根离子、萘磺酸根离子等)不具备电化学活性,这使得电极材料中存在大量非活性物质。以β-萘磺酸根掺杂的聚吡咯为例(掺杂度为37.5%),其掺杂剂质量占聚合物总质量的50%以上,严重降低材料的比容量。此外,为满足实际应用需求,商业化电极材料负载量通常要达到10 mg cm2或更高,而文献报道的材料面积负载量大多仅有1 mg cm2。然而,增加负载量必然引起电极材料厚度增加,材料内部电子和离子传导阻力随之变大,最终导致电极材料性能急剧下降。因此,制备高性能、高负载量的导电聚合物材料是科学界面临的瓶颈问题。

该项研究工作提出新颖的“氧化还原活性多酸离子掺杂”策略,用以提升高载量导电聚合物的电化学性能。以七钼酸根离子为掺杂剂制备的聚吡咯电极材料负载量可达0.2 g cm-2,是通常文献报道值的200倍。面积电容高达47 F cm-2,是迄今为止文献报道的最高值。主要学术创新点包括:1)导电聚合物与多酸离子掺杂剂之间存在较强相互作用,诱导聚合物导电性提升;2)首次采用球差校正电镜观察到多酸离子掺杂剂在导电聚合物中具体的存在形式,证明无机多酸阴离子作为空间“支柱”,构建开放离子通道,可供离子在聚合物中快速传输;3)证明电化学活性多酸离子提供额外的电荷储存电容。此策略同样适用于其他导电聚合物,普适性强,为导电聚合物在电化学储能领域的实际应用提供了新机遇。

Advanced Functional Materials》(IF: 16.836)是材料、化学与能源领域国际公认权威期刊。据悉,我校化学系孙筱琪教授2019年在该期刊发表第一篇东北大学唯一通讯单位论文。此次,是我校以唯一通讯单位第二次在该期刊发表论文。

图一 七钼酸根离子掺杂的聚吡咯材料制备、表征及其电化学性能


图二 超高负载量聚吡咯电化学及器件性能图


(供稿:宋禹 陈明丽)