由于靈活的結(jié)構(gòu)可調(diào)性和豐富的結(jié)構(gòu)多樣性，氧化還原活性聚合物是開發(fā)經(jīng)濟實惠且可持續(xù)的鈉離子電池（NIB）的有前途的正極材料。然而，聚合物正極仍然存在容量低、循環(huán)壽命差和反應(yīng)動力學(xué)緩慢的問題。

在此，美國邁阿密大學(xué)駱超團隊設(shè)計并合成了一種聚合物正極材料，其重復(fù)單元中含有羰基和偶氮基團以及擴展共軛結(jié)構(gòu)。這種聚合物正極在無電解質(zhì)電池中表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，包括高容量、長壽命和快速動力學(xué)。當(dāng)與低濃度電解質(zhì)結(jié)合使用時，它在低至 -50 °C 的低溫條件下也能表現(xiàn)出良好的性能。

此外，作者利用拉曼光譜、X 射線光電子能譜和掃描電子顯微鏡研究了反應(yīng)機理、相間結(jié)構(gòu)和形態(tài)演變，證實了聚合物中的偶氮/羰基與 Na⁺/ 電子之間的可逆氧化還原反應(yīng)、富含 NaF 的相間結(jié)構(gòu)以及循環(huán)使用時的高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖1. 聚合物正極結(jié)構(gòu)表征

總之，該工作將PTAD用作室溫和低溫NIBs中的聚合物正極。其中羰基和偶氮基團在PTAD中作為活性中心，可以與Na⁺離子和電子進行多步可逆反應(yīng)，從而產(chǎn)生高的可逆容量。PTAD中擴展的共軛結(jié)構(gòu)使NGr與聚合物之間π-π堆積，增強了PTAD正極的電導(dǎo)率和穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，PTAD正極在50 mA g^-1下具有206.7 mAh g^-1的高可逆容量，1500次的長循環(huán)壽命，以及在室溫下的快充性能。

此外，當(dāng)與低濃度電解質(zhì)結(jié)合時，PTAD正極在0至- 50°C的低溫下表現(xiàn)出卓越的性能。本研究利用拉曼光譜和XPS研究了PTAD正極的反應(yīng)機理和界面化學(xué)，證實了偶氮/羰基與Na⁺離子/電子之間的氧化還原反應(yīng)。因此，該工作通過設(shè)計雙功能聚合物正極材料和低濃度電解質(zhì)，為開發(fā)低溫NIBs提供了一條有效的途徑。

圖2. 電池性能

A Carbonyl and Azo-Based Polymer Cathode for Low-Temperature Na-Ion Batteries, ACS Nano 2024 DOI: 10.1021/acsnano.3c08860