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释放松芘四鼼的动力：镁离子NEC锂电池多孔聚合物的第一原理解析

发布时间：2026-08-05 19:58:28 点击：次

只要找到最优的阴极材料，镁离子电池（MIBs）有潜力成为满足全球日益增长的能源需求的可行替代方案。本研究报告了一种由除氧菊酮和1,3,5-三溴苯构建单元组成的轭轭多孔聚合物（PTOPP），作为MIBs的阴极材料。研究采用基于量子力学的理论方法——密度泛函理论（DFT）。我们的结果表明，PTOPP在能量、动力学和化学方面都保持稳定，并且表现出强的镁²⁺在羰基（C 双重键 O）基团的亲和力。HOMO-LUMO间隙表明电子激发行为适度。镁离子强锚定于PTOPP的氧化还原活性位点，结合能分别为−3.62和−3.43 eV，对于1毫克和2毫克锚定系统。当单个PTOPP单元装载十二个镁离子时，该材料表现出良好的电化学性能和结构稳定性，开路电压（OCV）范围为1.81–1.63伏，比理论容量为320.02 mAh/g，能量密度为（E_d）为579.23 Wh/kg，能量障碍为0.49 eV。此外，还进行了从头到尾的分子动力学（AIMD）和应力-应变模拟，以验证PTOPP系统的电化学性能。镁氯₂以及Mg（TFSI）₂电解质（电极与电解质界面）的研究显示与PTOPP系统兼容性良好。这些发现凸显了PTOPP作为下一代MIB有前景的正极材料，并鼓励进一步的实验和理论研究。

由于化石燃料的广泛使用和人类能源需求的增长，环境问题的增加促使研究人员持续追求绿色能源资源和储能设备[1]，[2]。最常用的储能设备是电池[3]。如今，锂离子电池（LIB）已商业化并广泛使用[4]、[5]。但它们存在某些局限性，例如锂资源有限、价格高、充放电时树突形成、安全隐患以及生命周期有限[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。因此，材料科学家正在积极探索具有更优越电化学性能的低成本可充电电池（RBs）。锂硫电池（LSB）、钠离子电池（NIBs）、K离子电池（KIBs）、镁离子电池（MIBs）、碳离子电池（CIBs）和金属空气电池的研究正在进行中[8]， [11]， [12]， [13]， [14]。在这些电池中，SIB和MIB被认为是最突出的候选者，因为它们具有高自然丰度、低成本和环保特性[9]，[15]，[16]，[17]，[18]。由于钠离子与锂离子的相似性，SIB技术预计会快速发展[19]，但它们面临充放电时间长、供电慢和安全性等挑战[20]、[21]、[22]。然而，由于镁金属具有一价性，具有更高的体积容量[23]，[24]。此外，其较小的原子半径防止树突形成[24]，[25]，并且支持比单价离子更快的离子迁移率[21]、[26]。
关于MIB商业化的问题在于，是否能找到适合进行Mg离子剥离和沉积的正极材料[25]，[27]，[28]。各种无机材料，例如钼黄烷化合物、MoO₃，MnO₂，TiO₂，以及V₂O₅曾被研究为阴极，但均未被证明兼容[29]。如今，有机材料因其可调性、内在柔韧性和可再生性，被认为是RB的便利阴极[30]，[31]。多种有机化合物如二氯异氰芠、喹啉、邻酞氰胺和二氢化物，以及一维聚合物（如聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺）、层状化合物、双极多孔聚合物框架、醌和蒽醌、三氧化三甲烷（TOT）和四氰基-啉二甲烷（TCNQ）等，已被研究为RBs的正极材料[27]、[32]、[33]、[34]。其中，基于醌和蒽镌的聚合物展现出高理论容量、快速动力学以及可调谐的氧化还原电位[35]、[36]。然而，由于其一维结构，它们面临电导率低、体积膨胀、电极溶解以及循环响应差等问题[36]， [37]。最近，研究人员合成了基于二维醌、蒽醌[38]和吡芘四鼹（PTO）的微孔聚合物，并测试它们作为锂离子电池的阴极。这些材料有效控制溶解问题，并展现出显著的性能[38]、[39]。这些研究提供了新的见解，表明二维有机多孔材料作为MIB阴极的有前景选择。
对高容量储能系统支持大规模应用（电网级储能）的需求不断增长，促使人们从单价离子电池如锂离子电池和镍离子电池向多价离子电池，尤其是MIBs，转变的需求。由于Mg的多价性，这类电池有潜力实现更高的密度，每个原子可转移两个电子，从而产生更高的体积容量。本研究旨在通过聚焦MIB技术的改进和发展来应对这一关键需求，该领域正处于商业化边缘，但与单价电池相比仍较少被研究。
由纳米带和小型单元构成的碳基架构，因其延伸的π共轭和高表面积，在气体吸附、催化和能量储存等多个领域展现出卓越的性能。由铀、除草烯或石墨烯纳米带衍生的框架具有可调的孔隙度和导电性，但通常需要复杂的合成路径，且化学多样性有限。此外，聚合物基多孔材料如共价有机框架（COFs）和共轭微孔聚合物（CMPs）使得模块化构建多孔网络成为可能，但由于非平面或绝缘连接体，导电性较低，且在高温下稳定性存在问题。相比之下，这里报告的PTOPP结合了这两种类别的优势。缺乏电子的平面-除草糖四酮核心促进了延伸的π-π相互作用和氧化还原活性，而聚合则形成了一个稳健且相互连接的多孔网络。该设计策略将PTOPP系统区别于已知的碳基和高分子框架，提出了有机电极材料的新平台。
该研究的关键创新是创造了新的阴极材料。最新研究指出，一维醌基聚合物在使用过程中存在不稳定性，促使人们致力于开发类似二维COF结构的多孔共轭醝基聚合物[38]、[39]。这些先进材料预计将在溶剂环境中提供更稳定的稳定性和更佳的热阻，这对实际电池应用至关重要。然而，关于这些聚合物的实验研究有限，大多数研究集中在锂离子电池系统上。近年来，进行了一些理论研究[40]、[41]、[42]，但仍需全面探索其他一些π共轭多孔聚合物（CPPs）作为MIBs阴极材料。这一空白凸显了对CPP进行系统分析以提升其容量和稳定性的紧迫性，这对于提升MIB性能至关重要。
本研究的一个重要方面是在进行实验合成前，了解Mg离子和阴极材料的化学成分。在本研究中，我们利用DFT模拟阐明Mg离子在阴极结构（即PTOPP系统）中相互作用、插入和运动的基本过程。这种计算方法允许对能量景观进行包容性映射，识别动力学难题，从而最大限度地减少通常涉及实验室合成的经验试错。我们深入探讨了PTOPP材料上的单一和多重镁离子储存。结合能（BE）的负值为PGP材料中Mg离子储存的稳定性提供了证据。频率、地层能量（E_f），AIMD模拟展示了设计材料的动力学、热力学和热稳定性。多Mg离子储存验证了高理论容量和中等OCV。平滑离子扩散通过助推弹性带（NEB）机制进行研究。总之，这些发现为开发这些高性能MIBs提供了多学科方法，有望为储能技术领域开辟新可能之门。

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