Angew. Chem. Int. Ed. 可生物降解的聚多巴胺衍生物用作高性能鋰/鈉電池電極材料

【背景簡介】
從可再生、儲量豐富的資源中提取的有機電池電極材料是綠色電池的關鍵所在，它可以替代鋰離子電池、鈉離子電池等電化學設備中非可持續的活性成分。盡管這個領域的發展已經取得了很大的進展，但是在面對大規模應用時，這類材料仍然面臨著比容量低、循環壽命短、倍率性能差等眾多問題。此外，大多數有機電極材料的合成還需要高價有毒的試劑。因此，如何使用可持續資源通過綠色戰略方式發展高性能有機電極材料仍然是很大的挑戰。

多巴胺（DA），作為中樞神經系統中最重要的神經遞質之一，在生理過程的調控中起著重要作用。DA通過電子轉移會被氧化成鄰苯醌，所得鄰苯二酚/鄰苯醌的氧化還原對在帕金森病中起著重要的作用。從這個生理過程中研究者們得到了靈感，他們認為聚多巴胺（PDA）可以成為一種理想的具有氧化還原活性的生物分子類電極材料，同時它還可以提供能夠質子以供鋰離子/鈉離子取代。在鄰苯醌中氧原子則可用于協調鋰離子/鈉離子。

傳統電池的電極中通常需要加入絕緣的、不活潑易溶脹的聚合物粘結劑，這在一定程度上不可避免地會產生不可逆容量損失以及較差的循環穩定性。因此，開發不含粘結劑的電極材料具有很好的前景。PDA（含有鄰苯二酚基團）本身主要具有提供許多海洋或淡水貝類的強附著力的特性，因此，理論上可以同時用作電極材料和氧化還原活性的粘結劑材料。然而，迄今還沒有關于PDA用作鋰離子電池/鈉離子電池電極材料或粘結劑或雙功能電極/粘結劑材料的研究。來自中國科學院長春應化所的張新波教授所帶領的研究小組采用PDA同時用作鋰離子電池/鈉離子電池的電極材料和粘結劑材料對其性能進行了研究。

【圖文導讀】
圖一、雙功能電極材料/粘合劑材料的制備

圖二、PDA樣品：a）O1s XPS譜；b）C1s XPS譜； c）循環性能比較；d）倍率性能比較

圖三、 O-PDA-2用作鋰離子電池負極材料其電化學性能研究：a）在有無粘結劑情況下，與PDA樣品的倍率性能的比較； b）電流密度為500 mAg1時，長期循環性能的研究

圖四、O-PDA-2用作鈉離子電池負極時電化學性能研究：a）電流密度為50 mAg-1時的充放電曲線；b）倍率性能；c）電流密度為50 mAg-1時的循環性能

圖五、O-PDA-2用作鋰離子電池負極時的結構演變：a）通過DFT計算得PDA單元的穩定化能；B）非原位FTIR表征； C）C 1s區域非原位XPS局部掃描光譜；d）O 1s區域非原位XPS局部掃描光譜

【小結】
基于PDA的可生物降解的雙功能電極在鋰離子電池和鈉離子電池中都表現出高容量、良好的穩定性等優異的電化學性能。此外，氧化劑誘導聚合和熱處理有助于改善PDA的電化學性能，優于當前最先進的有機電極材料。上述發現不僅提供了如何利用生物分子衍生材料的策略，同時激發了研究人員繼續在自然界中探索高性能、可持續的電極材料。生物分子衍生的雙功能電極/粘結劑材料概念的建立將為其他可持續的、生物相容的能量儲存系統的發展打下基礎。

文獻鏈接：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）

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。