钠离子电池由于钠资源丰富、廉价易得，电化学性质与锂相似，以及环境友好性等优点吸引了巨大的研究兴趣，被认为是极具潜力的锂离子电池替代品。然而，将商用锂电池中的无机材料或类似物用于钠电池时，通常会引起电池性能衰减或失效。其主要原因是钠离子较大的离子半径会造成其在材料中的嵌入/脱出困难，甚至引起材料结构的粉碎性破坏，这一点在电池快充时表现得尤为突出。因此，设计具有高比容量、良好快充性能和优异循环性能的钠离子电池正极材料，对推动钠离子电池在能源存储等领域的应用具有重要的科学意义和应用价值。与无机材料相比，有机材料的分子间弱相互作用使得钠离子嵌入后材料的体积变化不明显；此外，有机材料具有来源广泛、可人工合成、分子结构灵活可控、可降解等优点。因此，有机钠离子电池作为商用无机锂离子电池的替代品对未来的大规模应用具有诱人的前景。但目前为止，有机钠离子电池，尤其是其正极材料的研究依然不足，已报道的有机正极材料仍然存在着容量低、快充性能差、可循环使用寿命短等方面的问题。
针对此问题，华中科技大学王成亮教授团队结合前期研究工作，设计合成了共轭链状聚合物PPTS，并应用于钠离子电池。通过将所设计的材料PPTS与已报道的PBQS、PAQS作对比，并结合理论计算，作者从不同的方面揭示了：增加材料π共轭体系，有助于增强分子间作用力、促进聚合物材料形成π-π层状堆积，从而改善材料的电荷传输、稳定性以及离子传输性能，并实现高的比容量（290 mAh/g）、良好的循环稳定性（5 A/g 的电流密度下5000次循环后容量仍达160 mAh/g）以及快充性能（50 A/g 的电流密度下10000次循环后容量仍达~100 mAh/g）。
由于PPTS具有较PBQS和PAQS更大的共轭体系，因此无论是倍率性能还是循环性能，PPTS均具有明显优势。长程稳定性方面，以1 A/g的电流密度进行充放电，即使2000次循环后PPTS仍能保持在230 mAh/g的比容量，明显优于PBQS和PAQS。同时，PAQS与PBQS相比，也具有更大的共轭结构和更好的循环稳定性，再次证明大共轭体系有利于提升材料的电化学性能。此外，在高达10 A/g的电流密度下，循环5000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储能材料中十分少见。
作者对聚合物的堆积结构和良好电化学性能的原因进行了深入分析。材料所表现的四电子过程保证了PPTS电极具备较高的理论比容量（291mAh/g），这一点从CV以及DFT计算两方面得到了验证。另外，非原位XRD结果表明，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，从而证明层状排列有利于离子传输。同时，非原位的HRTEM研究表明，PPTS在进行充放电后，仍能保持自身的晶格，可能源于较强的分子间π-π相互作用，这一点从非原位XRD表征也能得到验证。最后，作者基于变速CV及GITT技术，对PPTS电极进行了反应动力学研究。结果表明，PPTS电极在充放电过程中以表面效应为主，其钠离子扩散系数高达10-9cm2s-1，其表面效应和较高的离子扩散系数可能源于其层状排列。层间提供了一个良好的离子传输通道。从而诠释了PPTS出众的倍率性能内因之所在。
王成亮教授课题组基于调控π体系的设计思想，开发了一种具有大的共轭体系和层状排列的有机钠离子电池正极材料。其增强的π共轭体系，显著提升了材料的电荷传输、稳定性以及离子传输性能，从而表现出较高的容量、良好的循环稳定性以及快充性能。该工作对于通过分子设计提高电池的性能和促进共轭有机高分子材料在能源存储领域中的应用具有重要的科学意义和应用价值。
本文作者：Mi Tang, Shaolong Zhu, Ziteng Liu, Cheng Jiang, Yanchao Wu, Hongyang Li, Bo Wang, Erjing Wang, Jing Ma and Chengliang Wang*
Tailoring π-conjugated systems: from π-π stacking to high-rate-performance organic cathodes
Chem 2018, 4, DOI: 10.1016/j.chempr.2018.08.014
