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聚合物電極材料（PEMs）由于其高能量密度、可調(diào)結(jié)構(gòu)和柔韌性已成為鋰離子電池（LIBs）的熱門研究課題。由于其豐富的綠色資源，它們被認(rèn)為是傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料的一類有希望的替代品。

在此，西安交通大學(xué)熊禮龍副教授、孫孝飛副教授及杜顯鋒教授等人回顧了典型氧化還原活性PEMs的研究進(jìn)展，包括導(dǎo)電聚合物（CPs）、羰基聚合物（COPs）、自由基聚合物（RPs）、硫化物聚合物（SPs）和亞胺聚合物（IPs）。作者討論了PEMs的分子設(shè)計(jì)和電化學(xué)性能的合成要點(diǎn)，詳細(xì)描述了PEMs的導(dǎo)電、氧化還原和合成機(jī)制。

針對(duì)不同種類PEMs的優(yōu)缺點(diǎn)，作者提出了分子結(jié)構(gòu)改性、微觀形貌控制、碳材料復(fù)合化等3種改進(jìn)策略，解釋了分子結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性質(zhì)（電導(dǎo)率、溶解度、氧化還原電位、理論容量、倍率容量和循環(huán)穩(wěn)定性）之間的內(nèi)在關(guān)系并提出了分子結(jié)構(gòu)改性的方向。此外，還闡述了微觀形貌（納米結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）對(duì)電化學(xué)性能的影響，從復(fù)合材料的角度探討了碳材料在提高PEMs電化學(xué)性能方面的作用。

圖1. 五種聚合物電池的配置和放電過程

最后，基于上面討論的改進(jìn)策略，作者提出了PEMs的發(fā)展趨勢(shì)和前景以指導(dǎo) PEM 的未來(lái)設(shè)計(jì)：

（1）分子結(jié)構(gòu)的改性可以概括為四個(gè)途徑：調(diào)節(jié)共軛度、設(shè)計(jì)剛性分子骨架、設(shè)計(jì)交聯(lián)結(jié)構(gòu)和引入功能基團(tuán)。

（2）其次，高性能PEM的制備對(duì)合成過程提出了許多挑戰(zhàn)：從聚合物本身的角度來(lái)看，重要的是尋求提高聚合度和簡(jiǎn)化功能改性的合成工藝；此外，聚合物微觀結(jié)構(gòu)的可控制備也需要對(duì)合成工藝進(jìn)行優(yōu)化和探索。

（3）復(fù)合材料的設(shè)計(jì)可以協(xié)同復(fù)合成分的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)聚合物的缺點(diǎn)。結(jié)合物理保護(hù)層和化學(xué)限制，可以進(jìn)一步保證聚合物的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖2. 原位縮聚制備PI/rGO復(fù)合材料及其電化學(xué)性能

盡管在PEM上做了很多工作，但由于容量衰減、體積能量密度低、制備一致性差，它們幾乎沒有出現(xiàn)在商業(yè)市場(chǎng)。隨著智能、可穿戴和可植入電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，下一代電池應(yīng)朝著可持續(xù)、柔性和長(zhǎng)壽命的方向發(fā)展，PEMs在這些方面具有天然的優(yōu)勢(shì)。循環(huán)壽命是PEM面臨的最大挑戰(zhàn)，其穩(wěn)定性差的原因有兩個(gè)：

1）過氧化和體積膨脹造成的結(jié)構(gòu)破壞；

2）聚合物溶解度造成的活性物質(zhì)損失和自放電。因此，提高穩(wěn)定性是PEMs未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

Polymer Electrode Materials for Lithium-Ion Batteries, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202110871

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熊禮龍/孫孝飛/杜顯鋒AFM：鋰離子電池的聚合物電極材料綜述

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