目前受到锂资源的限制，钠离子电池和多价离子（镁和铝）电池正成为下一代锂离子电池的候选。钠离子电池具有与锂离子电池相似的化学特性，且钠储量丰富，沉积溶解的电位（-2.71 V）与锂（-3.04 V）接近。而多价离子电池摆脱了嵌入式化学的限制，利用具有高容量且资源丰富的镁和铝负极。更重要的是，镁金属在有机电解液中沉积溶解的库伦效率接近100%，且不生成枝晶，避免了由于短路导致的安全问题。

但是钠离子电池的发展受限于过渡金属钴和镍氧化物正极材料的使用，而多价离子在无机正极材料中扩散时受到强烈的相互作用，导致动力学性能差。为了同时解决上述问题，原料丰富、价格低廉且分子间相互作用力弱的有机材料作为可充电池的正极脱颖而出。然而，氧化稳定性差，易溶解，电子导电性差等问题大大限制了其在电池中的应用。将具有活性基团的有机材料进行聚合可以有效地抑制溶解，同时提高其电子电导。另外，引入具有孤对电子的异质原子（O、N或S）形成具有共轭π键的芳香化合物可以获得多位点的反应中心，也能够增强电子电导。

据此，美国马里兰大学Chunsheng Wang教授、乔治梅森大学Chao Luo教授、美国陆军实验室Oleg Borodin博士以及中国科学院物理研究所毛明磊博士通过缩合反应将Hexaazatrinaphthalene (HATN)通过碳碳单键连接成PHATN聚合物，并将其应用到钠离子以及多价离子（镁和铝）电池中。该聚合物是一种缺电子、结构稳定的平面碟形芳香系统，具有吡嗪活性位点和较高的理论容量（418 mAh/g）。

在钠离子电池中，PHATN能够取得220 mAh/g的容量（50 mA/g），对应于440 Wh/kg的能量密度。在10 A/g的电流密度下经历50,000个循环之后，仍然可以维持100 mAh/g的容量。另外，在镁和铝多价离子电池中，PHATN同样可以取得优异的电化学性能。密度泛函理论计算、XPS、Raman以及FT-IR证明了缺电子的吡嗪位点是PHATN氧化还原的活性中心。该工作证明吡嗪基聚合物有望作为快充，高能量密度且循环稳定的可充电池正极材料。

相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

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A Pyrazine-Based Polymer for Fast-Charge Batteries

Minglei Mao, Chao Luo, Travis P. Pollard, Singyuk Hou, Tao Gao, Xiulin Fan, Chunyu Cui, Jinming Yue, Yuxin Tong, Gaojing Yang, Tao Deng, Ming Zhang, Jianmin Ma, Liumin Suo, Oleg Borodin, Chunsheng Wang

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201910916

导师介绍

Chunsheng Wang

https://www.x-mol.com/university/faculty/49604

（本稿件来自Wiley）