Angew. Chem. Int. Ed. 可生物降解的聚多巴胺衍生物用作高性能锂/钠电池电极材料

【背景简介】
从可再生、储量丰富的资源中提取的有机电池电极材料是绿色电池的关键所在，它可以替代锂离子电池、钠离子电池等电化学设备中非可持续的活性成分。尽管这个领域的发展已经取得了很大的进展，但是在面对大规模应用时，这类材料仍然面临着比容量低、循环寿命短、倍率性能差等众多问题。此外，大多数有机电极材料的合成还需要高价有毒的试剂。因此，如何使用可持续资源通过绿色战略方式发展高性能有机电极材料仍然是很大的挑战。

多巴胺（DA），作为中枢神经系统中最重要的神经递质之一，在生理过程的调控中起着重要作用。DA通过电子转移会被氧化成邻苯醌，所得邻苯二酚/邻苯醌的氧化还原对在帕金森病中起着重要的作用。从这个生理过程中研究者们得到了灵感，他们认为聚多巴胺（PDA）可以成为一种理想的具有氧化还原活性的生物分子类电极材料，同时它还可以提供能够质子以供锂离子/钠离子取代。在邻苯醌中氧原子则可用于协调锂离子/钠离子。

传统电池的电极中通常需要加入绝缘的、不活泼易溶胀的聚合物粘结剂，这在一定程度上不可避免地会产生不可逆容量损失以及较差的循环稳定性。因此，开发不含粘结剂的电极材料具有很好的前景。PDA（含有邻苯二酚基团）本身主要具有提供许多海洋或淡水贝类的强附着力的特性，因此，理论上可以同时用作电极材料和氧化还原活性的粘结剂材料。然而，迄今还没有关于PDA用作锂离子电池/钠离子电池电极材料或粘结剂或双功能电极/粘结剂材料的研究。来自中国科学院长春应化所的张新波教授所带领的研究小组采用PDA同时用作锂离子电池/钠离子电池的电极材料和粘结剂材料对其性能进行了研究。

【图文导读】
图一、双功能电极材料/粘合剂材料的制备

图二、PDA样品：a）O1s XPS谱；b）C1s XPS谱； c）循环性能比较；d）倍率性能比较

图三、 O-PDA-2用作锂离子电池负极材料其电化学性能研究：a）在有无粘结剂情况下，与PDA样品的倍率性能的比较； b）电流密度为500 mAg1时，长期循环性能的研究

图四、O-PDA-2用作钠离子电池负极时电化学性能研究：a）电流密度为50 mAg-1时的充放电曲线；b）倍率性能；c）电流密度为50 mAg-1时的循环性能

图五、O-PDA-2用作锂离子电池负极时的结构演变：a）通过DFT计算得PDA单元的稳定化能；B）非原位FTIR表征； C）C 1s区域非原位XPS局部扫描光谱；d）O 1s区域非原位XPS局部扫描光谱

【小结】
基于PDA的可生物降解的双功能电极在锂离子电池和钠离子电池中都表现出高容量、良好的稳定性等优异的电化学性能。此外，氧化剂诱导聚合和热处理有助于改善PDA的电化学性能，优于当前最先进的有机电极材料。上述发现不仅提供了如何利用生物分子衍生材料的策略，同时激发了研究人员继续在自然界中探索高性能、可持续的电极材料。生物分子衍生的双功能电极/粘结剂材料概念的建立将为其他可持续的、生物相容的能量储存系统的发展打下基础。

文献链接：A Biodegradable Polydopamine-Derived Electrode Material for HighCapacity and Long-Life Lithium-Ion and Sodium-Ion Batteries（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201604519）

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