具有氧化還原活性基元的有機(jī)分子是下一代可持續(xù)儲(chǔ)能電極的研究熱點(diǎn)。盡管目前氧化還原活性分子的設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但高電化學(xué)活性、穩(wěn)定性以及快速充電的快速動(dòng)力學(xué)要求，需要不斷研究有機(jī)電極三維(3D)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

在此，韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）Seokwoo Jeon, Il-Doo Kim以及美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納香檳分校（UIUC）Paul V. Braun等人報(bào)道了一種用于實(shí)現(xiàn)3D雙連續(xù)納米網(wǎng)絡(luò)（3D PIN/Ni）的光刻制造策略，該技術(shù)重復(fù)性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)。該網(wǎng)絡(luò)由周期性多孔Ni支撐的氧化還原活性聚酰亞胺層（孔半徑<300 nm）組成，為電子和離子傳輸提供高導(dǎo)電通路。

圖1. 鋰化/脫鋰過程中CV曲線和Nyquist圖的電化學(xué)變化

通過結(jié)構(gòu)工程，Ni具有優(yōu)異的硬度、電化學(xué)穩(wěn)定性和高導(dǎo)電性（1.43×107 S m^-1），3D Ni提供了用作有機(jī)電極材料載體所需的各種性能的必要組合。

采用聚酰亞胺基多羰基聚合物納米粒子（PIN）作為有機(jī)電活性材料，其電解質(zhì)溶解度低，理論容量高（1460 mAh g^-1）。

通過這種3D結(jié)構(gòu)負(fù)極中幾乎所有不飽和C=C鍵的超鋰化，實(shí)現(xiàn)了1260 mAh g^-1的高可逆容量，在10C倍率下250次循環(huán)后容量保持率為82.8%。

這項(xiàng)研究首次在高達(dá)400C倍率下實(shí)現(xiàn)了有機(jī)負(fù)極的鋰離子存儲(chǔ)，容量為664 mAh g^-1/2810 mAh cm^-3），超過了快充混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的目標(biāo)線（半電池級(jí)別容量為1000 Wh kg^-1/1500 Wh L^-1），為高性能有機(jī)電池開辟了新的工程機(jī)會(huì)。

圖2. 3D PIN/Ni與商業(yè)有機(jī)負(fù)極的性能比較

3D periodic polyimide nano-networks for ultrahigh-rate and sustainable energy storage, Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/D1EE01739J