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刘军教授/支春义教授/吕海明教授Angew. ：超稳定二维线性聚合物正极材料用于高性能水基锌有机电池

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-03-03 08:00

正文

▲第一作者：赵林威，贾昀奇

通讯作者：刘军*，支春义*，吕海明*

单位：华南理工大学，香港城市大学

全文研究

水性锌离子电池（AZIBs）因其固有的安全性、低成本和环境友好性等显著优势，近年来受到了广泛关注。在推动高性能储能解决方案的发展中，正极材料发挥着至关重要的作用。与传统无机化合物不同，由氢、碳、氮、氧或硫等元素组成的有机化合物因其丰富性、无毒性和可持续性等优势，已被证明是AZIBs正极的潜在替代材料。然而，在电池运行过程中，大多数小分子化合物倾向于溶解于电解质中，从而导致显著的容量损失和循环寿命缩短。为了减小溶解效应，将小分子聚合成为一种有效的解决方案。然而，由于分子链的扭曲，许多聚合物电极在充放电过程中表现出较慢的阳离子扩散速率。二维材料由于其大量暴露的活性位点、柔韧性和独特的导电性能，显示出优异的电化学性能。梯形聚合物因其键旋转受到高度限制，展现出出色的机械强度，并且在离子嵌入与脱出过程中几乎没有显著的体积变化。因此，设计具有高度均匀形态、连续结构和高度有序分子的二维线性聚合物，可以显著提高阳离子扩散效率，对于推动AZIBs的发展具有重要意义。

文章简介

近日，来自华南理工大学的刘军教授与香港城市大学的支春义教授、吕海明教授合作，在国际顶级期刊 Angew. Chem. Int. Ed. 上发表题为 “An Ultra-Stable 2D Linear Polymer Cathode for High-Performance Aqueous Zinc-Organic Batteries” 的研究文章。该论文以分子结构入手，探讨了聚合物分子从无序到有序形态在水系锌离子电池中表现出明显的性能差异。

示意图 1. 新型二维线性聚合物的设计理念和优势

本文要点

要点一：独特的二维排列层状结构

要点二：高度有序的二维线性聚合物表现出相当优异的本征导电性以及卓越的离子扩散速率

要点三：得益于稳定的分子构型及优异的离子扩散，在锌离子电池中表现出稳定的循环性能，甚至于面负载从 3.13 到 6.27 mg cm ^-2 循环性能只出现小个位数下降。

要点四：得益于其受限的分子构型，其表现出优异的机械性能，经历长期循环后其形貌几乎维持不变，其较大的层间距可以快速的保证离子的扩散。

课题组介绍

广东省先进储能材料重点实验室 2012 年经广东省科技厅批准，依托华南理工大学建设。现任实验室学术委员会主任为张泽院士，实验室首席科学家为朱敏教授，主任为刘军教授。实验室设立制氢与储氢材料、储电材料与新型电池技术、储能材料计算、储能材料先进制备等研究方向。实验室从 2012 年成立至今，经过十余年建设，已经成为我国乃至世界上在储氢材料和锂离子电池等储能领域的重要科学中心和创新高地。

实验室现有固定人员 30 人，其中博士 25 人，教授 20 人，副教授 6 人。其中教育部 “ 长江学者 ” 特聘教授 1 人、国家杰出青年科学基金获得者 2 人、国家 “ 万人计划 ” 科技创新领军人才 2 人、国家优秀青年科学基金获得者 3 人、国家海外高层次人才项目获得者 3 人、教育部新世纪优秀人才获得者 3 人、广东省级人才 6 人（次）。建有在氢能材料、锂离子电池等新能源材料与器件领域领先的国家自然科学基金创新研究群体、教育部长江学者创新团队等高水平研究团队。

实验室面向科学前沿和国家重大需求，积极承担重大重点项目。自实验室成立以来，承担各类研究项目近 100 项，其中包括国家自然科学基金创新研究群体项目 1 项、 “973 计划 ” 项目 1 项、国家自然科学基金重点项目 3 项、国家重点研发计划项目 2 项、国家重点研发计划课题项目 6 项、教育部创新团队项目 1 项、广东省自然科学基金研究团队项目 2 项、广东省自然科学基金重大基础培育项目 1 项和重点项目 2 项，与合作单位共同承担国家基金委重大仪器专项 1 项、国家基金委联合基金项目 3 项。

实验室与我国及美、德、日、加、澳等国内外知名大学、研究所建立了广泛的科研和人才培养合作，建立了 “ 中澳环境与能源材料联合实验室 ” 。实验室还与行业龙头企业开展了深度的产学研合作，建有 “ 先进储能材料广东省工程技术研究开发中心 ” 、 “ 欣旺达 - 华南理工大学先进储能技术联合实验室 ” 、 “ 九江天赐 - 华南理工大学含氟锂电材料联合实验室 ” 、 “ 科恒股份 - 华南理工大学共建先进新能源材料联合实验室 ”“ 飞亚达 — 华南理工材料技术联合实验室 ” 。实验室面积达 3000 平方米，拥有二次离子质谱仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、热重分析仪、 X 射线衍射仪、 XPS 能谱仪、电化学工作站等先进仪器设备 160 余台套。为开展先进储能材料与器件的研究工作提供了强有力的高水平条件支撑。

【文章链接】

“An Ultra-Stable 2D Linear Polymer Cathode for High-Performance Aqueous Zinc-Organic Batteries”

https://doi.org/10.1002/anie.202425082 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

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刘军教授/支春义教授/吕海明教授Angew. ：超稳定二维线性聚合物正极材料用于高性能水基锌有机电池

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