雙極性氧化還原有機物作為儲能電極材料以其靈活性、可持續性和環保性吸引了人們的興趣。然而，雙極性氧化還原有機物在全有機電池中的應用還處于起步階段。
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最近，中科院長春應化所宋術巖課題組提出了一種篩選雙極性多種酞菁有機物的策略。自聚合雙極性四胺酞菁銅(CuTAPc)在諸多儲能系統中具有多樣應用包括以CuTAPc為正極極材料的鋰基雙離子電池、以CuTAPc為負極材料的石墨基雙離子電池以及以CuTAPc為正負極材料的對稱雙離子電池。
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值得注意的是，在鋰基雙離子電池中，使用CuTAPc作為正極材料，在50 mA g-1下放電容量為236 mA h g-1，在4 A g-1下4000次循環后可逆容量仍為74.3 mA h g-1。更重要的是，在所有有機對稱雙離子電池中可以獲得239 Wh kg-1的高能量密度和11.5 kW kg-1的功率密度。
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圖1a為CuTAPc兩電子的氧化還原過程， 18個π電子酞菁可以被氧化成二價體（+2個電荷態，16個π電子）或者還原成二價體（-2個電荷態，20個π電子）。圖1b為使用雙極性酞菁材料的電池裝置示意圖，CuTAPc既可以作為鋰基雙離子電池正極材料(cell 1)還可以作為鋰離子電池負極材料(cell 2)，也可以與石墨一起組裝成石墨基雙離子電池或對稱雙離子電池。
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為了篩選高性能的酞菁基電極材料，作者設計合成了兩類具有不同中心金屬離子的酞菁衍生物，如無、銅、鐵或鈷以及不同取代基，如無、-NO2、-NH2、-OH或-N=C-Ph（圖2a）。圖2b為CuTAPc和PF6–之間的強相互作用。此外，DFT還用于計算CuTAPc二聚體的HOMO/LOMO能級（圖2c）。與CuTAPc單體相比，CuTAPc二聚體的LOMO能級降低，HOMO能級增加。較小的LOMO-HOMO間隙表明電子傳導增加。
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圖3a為CuTAPc的循環伏安曲線，可以看到在第一次正掃過程中，在3.6 V下可觀察到明顯的不可逆氧化峰。在第一次正掃后，高可逆的CV曲線仍然存在。這些結果與在三電極體系中觀察到的不可逆特性一致，進一步證實了CuTAPc的自聚合特性。圖3b-e為CuTAPc的電化學性能，可以看到CuTAPc作為正極具有優異的電化學性能。圖3f-h為動力學特征分析，經過計算可以得出該過程為電容控制。
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更進一步，作者為了考察CuTAPc的雙極性特征，組裝了對稱雙離子電池。圖4a為循環伏安曲線，測試表明未有明顯的電壓平臺，為氧化（p-摻雜）和還原（n-摻雜）狀態下的快速多重氧化還原反應。圖4b典型的充/放電曲線顯示了寬的工作電壓窗口。圖4c-d表明該對稱雙離子電池具有優異的電化學性能以及較高的功率和能量密度。
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綜上所述，作者首次證實了CuTAPc具有雙極性和自聚合特性，使其可以用作雙離子電池電極材料包括全有機對稱的雙離子電池。結合鋰對電極，CuTAPc可作為高性能的正極材料或負極材料。更重要的是，結合石墨或其本身，CuTAPc可以組裝成不對稱和對稱的全電池。這項研究工作可以為構建有機儲能系統開辟新的途徑。
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A Bipolar and Self-Polymerized Phthalocyanine Complex for Fast and?Tunable Energy Storage in Dual-Ion Batteries.（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, DOI: 10.1002/anie.201904242）
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201904242
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