【顶刊】南大金钟团队Nature子刊：新型聚合物微粒“泥浆”电池

近日，南京大学化学化工学院介观化学教育部重点实验室、江苏省先进有机材料重点实验室金钟教授带领的“清洁能源材料与器件”研究团队在新型聚合物微粒“泥浆”电池方面取得进展。

相关工作以“All-polymer particulate slurry batteries”为题发表在Nature Communications, 2019, 10, 2513上。论文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-019-10607-0。

随着可再生能源产业的发展，与之相匹配的储能技术和产业受到高度重视。液流电池是大规模储能的最佳选择之一，具有储能规模大、循环寿命长、安全可靠等优势，但其发展受限于低能量密度和高成本。

在液流电池氧化还原新体系的探索中，有机物因其电化学性能可调控、来源丰富而备受关注。但是很多有机物存在溶解度低、化学稳定性差，易于发生副反应等问题，这些都制约了其在液流电池中的应用和发展。

图1. 聚合物微粒“泥浆”电池的原理示意图

为了解决上面的问题，金钟课题组设计了一种水系分散的聚合物微粒“泥浆”电池。该聚合物泥浆电池采用可以发生多电子氧化还原反应、易于制备的聚对苯二酚和聚酰亚胺分别作为电池的正极和负极活性材料，将聚合物制成微粒，均匀分散在酸性水溶液中（图2）。

高浓度的聚合物微粒“泥浆”打破了聚合物在水相溶液中的溶解限制，有效地拓宽了不溶性氧化还原可逆物质在液流电池中的应用。

图2. 聚合物微粒的合成及粒径分布

电化学分析测试表明聚对苯二酚和聚酰亚胺微粒能进行多电子的电化学氧化还原可逆反应，且扩散系数和电子转移速率常数与其他可溶性有机物相当（图3）。

通过两种聚酰亚胺的对比，研究了官能团调控对于有机化合物电化学性能的影响，验证了有机电化学活性物质的结构多样性特点在液流电池应用中的优势。

图3. 聚合物微粒悬浮液的电化学性质分析

另一方面，该研究中用生物化学实验中常见的透析膜替代质子交换膜作为电池隔膜，利用透析膜的尺寸排阻效应，有效阻止了正极和负极活性物质的交叉污染，保证了电池的循环稳定性，并能够促进充放电过程中氢离子的快速传递（图4）。

通过详细研究不同粒径的聚合物微粒对电化学性质及电池性能的影响，证明当高分子微粒的尺寸由几微米（2-5 μm）减小到几百纳米（500 nm）时，其微粒扩散和电荷传递得到提升，法拉第电流增大，电池测试中的活性物质容量利用率也随着微粒尺寸的减小而增加。

图4. 聚合物微粒泥浆电池的电池性能测试

南京大学介观化学教育部重点实验室、理论与计算化学研究所马晶教授对该研究提供了理论计算方面的协助。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金、江苏省双创人才计划等项目的资助。