近日，南京大學化學化工學院介觀化學教育部重點實驗室、江蘇省先進有機材料重點實驗室金鐘教授帶領的“清潔能源材料與器件”研究團隊在新型聚合物微粒“泥漿”電池方面取得進展。

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相關工作以“All-polymer particulate slurry batteries”為題發表在Nature Communications, 2019, 10, 2513上。論文鏈接: https://doi.org/10.1038/s41467-019-10607-0。

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隨著可再生能源產業的發展，與之相匹配的儲能技術和產業受到高度重視。液流電池是大規模儲能的最佳選擇之一，具有儲能規模大、循環壽命長、安全可靠等優勢，但其發展受限于低能量密度和高成本。

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在液流電池氧化還原新體系的探索中，有機物因其電化學性能可調控、來源豐富而備受關注。但是很多有機物存在溶解度低、化學穩定性差，易于發生副反應等問題，這些都制約了其在液流電池中的應用和發展。

圖1. 聚合物微粒“泥漿”電池的原理示意圖

為了解決上面的問題，金鐘課題組設計了一種水系分散的聚合物微粒“泥漿”電池。該聚合物泥漿電池采用可以發生多電子氧化還原反應、易于制備的聚對苯二酚和聚酰亞胺分別作為電池的正極和負極活性材料，將聚合物制成微粒，均勻分散在酸性水溶液中（圖2）。

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高濃度的聚合物微粒“泥漿”打破了聚合物在水相溶液中的溶解限制，有效地拓寬了不溶性氧化還原可逆物質在液流電池中的應用。

圖2. 聚合物微粒的合成及粒徑分布

電化學分析測試表明聚對苯二酚和聚酰亞胺微粒能進行多電子的電化學氧化還原可逆反應，且擴散系數和電子轉移速率常數與其他可溶性有機物相當（圖3）。

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通過兩種聚酰亞胺的對比，研究了官能團調控對于有機化合物電化學性能的影響，驗證了有機電化學活性物質的結構多樣性特點在液流電池應用中的優勢。

圖3. 聚合物微粒懸浮液的電化學性質分析

另一方面，該研究中用生物化學實驗中常見的透析膜替代質子交換膜作為電池隔膜，利用透析膜的尺寸排阻效應，有效阻止了正極和負極活性物質的交叉污染，保證了電池的循環穩定性，并能夠促進充放電過程中氫離子的快速傳遞（圖4）。

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通過詳細研究不同粒徑的聚合物微粒對電化學性質及電池性能的影響，證明當高分子微粒的尺寸由幾微米（2-5 μm）減小到幾百納米（500 nm）時，其微粒擴散和電荷傳遞得到提升，法拉第電流增大，電池測試中的活性物質容量利用率也隨著微粒尺寸的減小而增加。

圖4. 聚合物微粒泥漿電池的電池性能測試

南京大學介觀化學教育部重點實驗室、理論與計算化學研究所馬晶教授對該研究提供了理論計算方面的協助。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省杰出青年基金、江蘇省雙創人才計劃等項目的資助。