来源：快猛电池 发布日期：2026-06-29 13:26:56

双离子电池(DIBs)的作业原理依赖于大尺度阴离子在正极资料中的反复嵌入/脱嵌以完成能量存储。在此进程中，大多数正极资料（如石墨）的结构会敏捷崩解，导致正极容量急剧衰减。因而，开发适用于DIBs的正极资料火烧眉毛。聚吡咯(PPy)作为典型的p型有机正极资料，可经过阴离子嵌入提供容量，但其PPy正极的比容量一般较低。本研讨提出经过调控PPy经过调控分子尺度可显著进步掺杂剂聚吡咯中与双离子电池所用阴离子尺度的匹配度。本研讨采用三种分子尺度不同的酸掺杂剂——盐酸(HCl)、对甲苯磺酸(PTS)和茜素红S(ARS)制备聚吡咯正极。在首次充电进程中聚吡咯电极阅历去掺杂后，资料内部由掺杂剂留下的孔隙空间将用于后续双(三氟甲烷磺酰)亚胺阴离子(TFSI−) 吸收或插入。与体积较大的ARS和较小的HCl比较，PTS掺杂剂留下的孔隙空间与TFSI的尺度最为挨近−可以在PPy中容纳更多阴离子，然后在5 A g−1的高电流密度下仍展现出91.8 mAh g−1的最高放电容量，且循环3000次后功能安稳。该研讨经过匹配PPy掺杂剂与DIBs阴离子的分子尺度，为规划DIBs用PPy正极提供了新思路。

图文摘要

无论是锂离子电池（LIBs）还是钠离子电池（SIBs），其充放电进程均依赖金属离子在正负极之间的往复搬迁，而电解质本身并不参加电化学反响[1]。与之不同的是，双离子电池（DIBs）中的液态电解质阳离子会搬迁并嵌入负极，阴离子则搬迁并插入正极，因而DIBs中一起存在两种离子的定向移动[2,3]。因为两种离子在电解质中的搬迁间隔较短，DIBs可以完成快速充放电，然后具备高能量密度、高作业电压和高功率的特性[[4], [5], [6]]。
双离子电池的正极资料主要包括石墨、有机资料和其他二维资料[7,8]。石墨是双离子电池正负极最常用的资料。在化学势作用下，正离子（Li+、K+、Rb+、Cs+等）与负离子（PF6−BF4− , TFSI−等阴离子可嵌入石墨结构中，亦可自由脱嵌。%%但是，较大尺度阴离子插入类石墨资料一般会导致石墨体积发生严峻胀大（>130%），或许引发石墨结构脱落与解体[9]。%%此外，在阴离子插层进程中，溶剂分子或许同步嵌入石墨层间，然后加速结构崩塌与容量衰减[10,11]。%%因而，寻找石墨的替代资料火烧眉毛。
源自多种途径的有机资料易于组成，其分子结构可准确调控。更显著的是，可逆掺杂机制使其具备可调控的阴离子嵌入电位和适用于双离子电池（DIBs）的合理容量[8,12,13]。这些特性使有机资料有望成为石墨的替代选择[14]。
聚吡咯(PPy)是一种典型的p型有机电极资料，适用于阴离子嵌入以提供容量。该资料一般应用于超级电容器领域，但在双离子电池中的运用较为罕见。据文献报道，根据PPy的双离子电池正极资料在循环安稳性、倍率功能及比容量方面表现欠佳[[15], [16], [17], [18]]。为解决这些问题，部分研讨者提出可经过在聚吡咯表面包覆柔性资料来提高其结构安稳性[[19], [20], [21], [22]]。例如，Tang及其合作者提出了一种在二维MoS2单层结构[22]。当该复合资料用作超级电容器电极时，经过4000次循环后，MoS2/PPy纳米复合资料仍坚持其初始电容值的85%，而纯PPy仅保留约50%的初始电容。此外，Gogotsi及其研讨团队经过在Ti3（一种MXene化合物）层间生长PPy，制备了PPy/Ti2复合薄膜。该复合资料的电容功能比裸露Tix电极，在25,000次充放电循环后仍能坚持约92%的电容保留率[21]。其他研讨者提出经过调控长程有序分子结构来扩大聚吡咯（PPy）的共轭长度，并削减其结构损害[23,24]。例如，Huang团队展示了一种在滤纸基底上润饰4-丁基苯磺酸盐的PPy薄膜，该资料具有优异的循环安稳性，在200,000次循环后仍能坚持84.8%的高电容保留率[23]。他们以为，4-丁基苯磺酸盐的引入可经过α-α耦合链的堆叠进步PPy的有序度，然后在充放电进程中构成安定的结构。3此外，Zhi等人发现具有平面构型的PPy薄膜表现出优异的循环安稳性[24]。他们对比了电沉积法和化学聚合法别离制备的两种聚吡咯薄膜，发现有序摆放的电场能促进吡咯α位的去质子化，然后构成PPy的平面构型并取得卓越的循环安稳性。比较之下，化学聚合法取得的PPy分子链呈无序且各向异性摆放，难以抵抗长循环进程导致的结构损害。2Tx, a compound of MXene. The composite exhibited a capacitance 1.5 to 2.5 times higher than the bare Ti3C2Tx electrode and a capacitance retention of about 92 % after 25,000 charge–discharge cycles [21]. Some others proposed to regulate the long range ordered molecular structure to enlarge the conjugate length of PPy and to reduce the structural damage of PPy [23,24]. For example, Huang and colleagues demonstrated a 4-butylbenzenesulfonate modified PPy film on a filter paper substrate with excellent cycling stability and high capacitance retention of 84.8 % after 200,000 cycles [23]. They believed that the introduction of 4-butylbenzenesulfonate could increase the order degree of PPy via stacked α-α coupled chains, leading to a robust structure under the charging and discharging progress. Besides, Zhi et al. found that PPy films with planar conformation have excellent cyclic stability [24]. They compared two kinds of polypyrrole films respectively derived from electrodeposition method and chemical polymerization method and found that the arranged electric fields facilitate the deprotonation of pyrrole at α-position, resulting in the planar conformation of PPy and excellent cycling stability. By contrast, the chains of PPy obtained from chemical polymerization are random and anisotropic that is difficult to resist the structural damage caused by the long cycling process.
在咱们先前的研讨中，经过冷冻界面聚合法制备了具有大π共轭结构的α-α偶联主导PPy薄膜，该资料能有用提高可逆离子传输功率，并显著延伸电极实践循环寿命（超过60,000次循环）与电容功能（约260 F g−1）[25]。一起，实验证明这种α-α偶联主导的PPy薄膜具有最优异的阴离子掺杂才能，在0.1 A g电流密度下可完成119 mA h g的最高比容量 %%−1作为双离子电池（DIBs）的阴极资料[26]。惋惜的是该聚吡咯（PPy）阴极的倍率功能不尽善尽美，其容量随电流密度从0.1增至5 A g−1时出现显著衰减，从119 mA h g−1PPy正极的快速容量衰减可归因于两个原因。一方面，大尺度阴离子在PPy正极中的反复嵌入和脱出导致PPy结构快速崩塌；另一方面，PPy的内部结构阻碍了大尺度阴离子的快速传输和高效吸附，致使PPy的倍率功能极差。−1本研讨中，咱们提出除PPy链结构本身外，还需在PPy中构建适合DIBs系统大尺度阴离子传输与吸附的孔径，才能有用提高电池的储能才能和反响动力学。根据TFSI阴离子为研讨液态电解质中阴离子尺度效应，本研讨选取三种分子尺度不同的掺杂剂——盐酸（HCl）、对甲苯磺酸（PTS）与茜素红S（ARS）别离制备标记为HCl-PPy、PTS-PPy和ARS-PPy的聚吡咯电极。这三种掺杂剂别离代表聚吡咯常见的无机酸、有机酸及染料类掺杂剂，各具独特优势：如HCl掺杂的PPy因掺杂剂尺度小而具有高导电性[27]，PTS掺杂的PPy则表现出优异的化学安稳性[28]。−关于ARS-PPy而言，聚吡咯与ARS之间构成的安稳化学键赋予其良好的电化学功能[29]。本作业重点探求掺杂剂分子尺度对双离子电池功能的影响。结果表明：相较于大分子尺度的ARS和小分子尺度的HCl，具有与TFSI阴离子类似尺度的PTS展现出更优的可使PPy取得91.8 mA h g-1的最大比容量−的高电流密度下仍展现出91.8 mAh g−1，优异的倍率功能和快速反响动力学。PTS掺杂剂留下的孔隙空间能容纳更多阴离子，使PPy表现出最高的放电容量。该数据反映了PPy孔隙与DIBs阴离子之间尺度匹配的重要性。咱们以为，构建与DIBs阴离子尺度相匹配的PPy孔隙空间，或许是提高PPy正极在DIBs中电化学功能的有用途径之一。−1, superior rate performance and fast reaction dynamics. The pore space left by PTS dopant can accommodate more anions in PPy to exhibit the highest discharge capacity. The data reflects the importance of size matching between the pores of PPy and the anions of DIBs. We believe that constructing the pore space of PPy to match with the size of anions of DIBs may be one of the effective approaches to improve the electrochemical performances of PPy cathode for DIBs.