上海交通AFM: 双极聚苯胺阴极：为镁有机电池注入强劲能量

文章总结

研究背景：可充电镁电池（RMBs）因镁阳极的优势，如高体积容量（3833 mAh cm⁻³）和低枝晶形成倾向，成为锂离子电池的潜在替代品。在 RMBs 的阴极材料中，有机材料因资源丰富、环保、结构可设计性强而受关注，双极型材料能平衡高氧化还原电位和比容量，提升电池能量密度，本研究聚焦于聚苯胺（PANI） 作为双极型阴极材料在 RMBs 中的应用。

研究内容

PANI 结构与电荷存储机制：DFT 计算和 FTIR 光谱分析表明，PANI 由含交替单双键的共轭体系构成，其分子静电势显示胺基（─NH─）氮原子为亲电中心，亚胺基（═N─）氮原子为亲核中心。充放电过程中，PANI 在不同阶段分别表现出 p 型和 n 型阴极特性，DFT 计算进一步证实其氧化还原态的稳定性和电子导电性变化。

PANI||Mg 电池电化学性能：以 PANI 为阴极构建全电池测试，CV 曲线呈现多个氧化还原峰，对应不同离子的嵌入 / 脱嵌过程。电池在 200 mA g⁻¹ 电流密度下，初期因电解液问题容量低，后续随着电解液活化和材料细化，容量提升。50 次循环时，充电容量达 187.6 mAh g⁻¹，放电容量达 175.9 mAh g⁻¹。电池倍率性能良好，在高电流密度测试后，500 mA g⁻¹ 下容量可恢复，且在 1000 mA g⁻¹ 下循环 1000 次后仍有 65.7 mAh g⁻¹ 的容量。

离子存储动力学：不同扫描速率的 CV 测试结合理论公式分析表明，PANI||Mg 电池的充放电机制受电容和扩散过程共同影响，且电容过程占主导。Mg²⁺在 PANI 中的扩散比 B (Ohfip)₄⁻更有利，对应 CV 测试中 O1 和 R1 峰更明显。

充放电过程的结构变化：非原位 Raman 光谱、FTIR 光谱和 XPS 表征显示，PANI 在充放电过程中化学结构发生变化，进一步确认其离子存储机制。

PANI 电池的实际应用：制备的 PANI||Mg 软包电池在 200 mA g⁻¹ 下，经 5 次活化循环后能稳定循环超 60 次，库仑效率约 94%。两个串联软包电池可点亮 LED 灯板，且软包电池折叠后仍能正常供电，展现出良好的实用性和灵活性。

3. 研究结论：PANI 作为双极型阴极材料在 RMBs 中表现优异，具备高比容量（200 mA g⁻¹ 下为 186.8 mAh g⁻¹）和高功率密度（6341.8 W kg⁻¹）。其双极电荷存储机制经理论计算和实验表征得到证实，软包电池测试显示出良好的可靠性和灵活性，为先进储能系统提供了极具潜力的阴极材料选择。

图文简介

聚苯胺（PANI）的结构分析

聚苯胺（PANI）|| 镁（Mg）电池的电化学特性

聚苯胺（PANI）的氧化还原化学特性

聚苯胺（PANI）|| 镁（Mg）软包电池的电化学性能

论文信息

通讯作者：Yanna NuLi