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【节选】
锂离子电池是当前应用最广泛的可充电电池，小到智能手机和玩具，大到电动汽车和飞机，锂离子电池都是可靠的储能设备。不过，由于锂的地壳储量并不丰富，价格昂贵和资源限制一直阻碍着锂离子电池的进一步发展。钠与锂具有相似的物理化学性质，在地壳中的储量十分丰富且更容易获得，价格更是远远低于锂，因此，钠离子电池被认为是最有希望的锂离子电池低成本替代品。
传统基于无机结构的钠离子电池电极材料，通常会遇到钠离子脱嵌过程动力学困难、结构不稳定等问题。相比较而言，有机电极材料中的含O、N等活性官能团可以为金属离子的空轨道提供孤对电子，可以在柔性的分子骨架内实现较快的Na+迁移。目前已被报道的有机电极材料的活性位点主要有与芳香环相连的C=O、C=N官能团、自由基、C=C（共轭聚合物）这几种。芳香环是大多数有机电极材料的基本组成单元，要实现较多的储钠活性位点，达到较高的储钠比容量，将芳香环的电化学活性激活并保持其结构稳定性尤为重要。与石墨、石墨烯类似，芳香环也是由sp2杂化碳原子组成的稳定平面结构，电子云密度较高，可以与金属离子发生电荷转移。但是钠离子具有较大的离子半径和较慢的迁移速率，在热力学和动力学上都不有利于其进入芳香环层间。另一方面，钠离子嵌入芳香环层间会破坏层间的范德华力，造成结构坍塌，使得靠近芳香环的钠离子也无法可逆脱出。因此，激活芳香环使之成为一种可逆的储钠位点，是一个巨大的挑战。近期，Chem 杂志以“背靠背”的形式同日在线发表了华中科技大学黄云辉教授（点击查看介绍）团队和王成亮教授（点击查看介绍）团队的两篇论文，以不同策略实现了基于芳香环结构的稳定高性能储钠材料。
共轭链状聚合物作为高性能储钠材料[2]
图片来源：Chem
王成亮教授团队通过设计聚合物的π-共轭体系来提高材料电化学性能。基于以往的工作，他们合成了一种共轭链状聚合物poly(pentacenetetrone sulfide)（PPTS，图5D），通过扩展聚合物的π共轭体系增强π-π分子间相互作用和长程π-π堆积，改善所得电极材料稳定性、电荷传输和离子扩散，并成功实现高比容量（290 mAh/g）、良好的循环稳定性（10 A/g 的电流密度下5,000次循环后容量仍达160 mAh/g）以及非常突出的快充性能（50 A/g 的电流密度下10,000次循环后容量仍达~100 mAh/g）。唐蜜博士为论文第一作者。
图5. 高性能电极材料的分子设计。图片来源：Chem
图6. PPTS的结构研究。图片来源：Chem
为研究共轭程度对材料性能的影响，作者分别设计了如图5所示的三种有机电极材料。结果表明，与poly(benzoquinone sulfide)（PBQS）和poly(anthraquinone sulfide) （PAQS）相比，无论是倍率性能还是循环性能，PPTS均具有明显优势。以1 A/g的电流密度进行充放电，循环2,000次后PPTS的比容量仍能保持在230 mAh/g，明显优于PBQS和PAQS。结合一系列的表征手段，作者发现钠离子的嵌入/脱出主要在（011）面，即电化学活性羰基位点的面和层状排列的层间位置。作者推测由于PPTS分子具有更大的共轭体系，分子之间存在更强的π-π相互作用，更有利于钠离子的稳定传输。另外值得称道的是，PPTS的快充性能非常优越，在高达10 A/g的电流密度下，循环5,000次后PPTS仍能保持160 mAh/g的比容量。在此速率下，充满（放完）一次仅需56秒。更令人惊讶的是，在50 A/g的电流密度下，循环上万次后，PPTS仍能稳定地释放近100 mAh/g的容量，而完成该过程仅需7秒。这一性能在现有报道的钠离子电池电极材料中十分少见。
图7. PPTS电极的电化学性能和原位表征。图片来源：Chem
图8. PPTS电极的倍率性能和长期循环性。图片来源：Chem
综上，同日上线的两篇Chem 论文，一篇通过金属配位支撑，一篇通过大共轭聚合，都为解决有机芳香环结构储钠过程中的稳定性问题提供了方案，获得了非常优异的性能，可谓殊途同归。
2. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Tailoring π-Conjugated Systems: From π-π Stacking to High-Rate-Performance Organic Cathodes
Mi Tang, Shaolong Zhu, Ziteng Liu, Cheng Jiang, Yanchao Wu, Hongyang Li, Bo Wang, Erjing Wang, Jing Ma, Chengliang Wang
Chem, 2018, DOI: 10.1016/j.chempr.2018.08.014
导师介绍
王成亮
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（本稿件节选自Chem）
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