近日，东南大学材料科学与工程学院胡林峰教授课题组在国际化学领域顶级学术期刊Angew. Chem. Int. Ed.上以“Organic Zinc-Ion Battery: Planar, π-Conjugated Quinone-Based Polymer Endows Ultrafast Ion Diffusion Kinetics”为题发表研究论文，介绍了其在设计具有超快锌离子动力学醌类聚合物正极材料用于水系锌-有机电池方面的重要进展。
当前，具有独特离子配位储能机制的醌类有机材料因具有绿色环保、分子结构多样且可调控等优点，成为水系锌离子电池正极材料研究的热点。大多数小分子醌类化合物在循环过程中存在不可避免的溶解问题，导致容量快速衰减。通过将小分子醌类化合物聚合形成醌类聚合物，能够有效抑制溶解问题从而提升电池的循环寿命。然而，大多数醌类聚合物正极材料由于较低的分子平面性，严重阻碍了锌离子在电极材料中的快速扩散，导致其综合电化学性能难以满足实际应用需求。因此，增强醌类聚合物中的锌离子扩散动力学是研究的关键科学问题和难点，对于推动有机水系锌离子电池的实际应用十分重要。
胡林峰教授团队利用Friedel-Crafts反应，设计并合成了一种新型具有平面分子结构的π-共轭线性醌类聚合物PPPA：聚(吩嗪-alt-均苯四甲酸酐)，作为有机锌离子电池正极材料具有应用前景。在50 mA g-1电流密度下展示出210 mAh g-1的比容量，并且在5000 mA g-1的大电流密度下，电池循环20000次后仍能保持92 mAh g-1的比容量。电化学石英晶体微天平(EQCM)和原位/非原位表征证实了PPPA阴极中存在可逆Zn2+配位机制，并且没有质子参与电极氧化还原反应。
有趣的是，在这个大π共轭体系中发现了超快锌离子扩散动力学，锌离子扩散系数高达1.2×10-7 cm2 s-1，是所有锌离子电池有机正极材料中的最高值，相对于已报导的各类无机正极材料也十分突出。DFT理论模拟计算表明PPPA分子中π共轭平面的扩展显著减小了能隙，有效地加快了充放电过程中分子内电子转移的速度；聚合物链不断增长的PPPA分子依旧能保持平面结构，有利于降低空间位阻，促进材料中锌离子的快速移动。
该研究工作利用聚合物链的π-π相互作用，研制了一种具有典型平面结构的新型醌类聚合物正极材料，实现了醌类聚合物中锌离子缓慢扩散动力学的突破。这一策略为实现快速的锌离子扩散动力学和发展有机水系锌离子电池提供了新的思路。
本工作的第一作者为东南大学材料科学与工程学院的博士后叶飞，通讯作者为胡林峰教授，东南大学为该工作的第一完成单位，该工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发和江苏省杰青等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202214244
