共轭有机聚合物具有广泛的π电子共轭体系，使其成为电化学储能领域极具前景的候选材料。共轭梯形聚合物具有由活性基团相互连接的双链共轭结构，不仅能最大限度地增加活性位点数量，还能提高这些活性基团的利用率，从而确保材料具有优异的导电性和结构稳定性。本文，中南民族大学黄绍专 教授团队在《Materials Today Chemistry》期刊发表名为“Graphene-sandwiched conjugated ladder polymers as multi-electron redox-active anodes for sustainable Li-organic batteries”的论文，研究提出了一种简单高效的策略，通过原位水热聚缩合法制备具有石墨烯夹层结构的全共轭梯形聚合物。
连续的π共轭体系、分散均匀的纳米结构以及坚固的石墨烯支撑稳定结构，显著提升了锂离子电池（LIBs）的电化学性能，展现出巨大的可逆容量（在 0.1 A g−1 电流密度下为 1225 mA h g−1）、 良好的倍率性能（在 2 A g−1 时为 418 mA h g−1），以及长循环寿命（在 5 A g−1 条件下循环 6000 次后仍保持 70% 的容量），适用于高性能锂有机电池。这项研究可能为可控制备多种新型富氧化还原基团的共轭有机聚合物材料开辟了一条新途径，以满足多种高效能源应用的需求。
图1. Schematic illustration for the synthesis of PBI@Gr composite (a) and the proposed lithium storage mechanism of PBI moieties in the electrode (b).
本研究通过原位水热共聚结合后续热退火处理，成功制备了具有夹心结构的石墨烯支撑苯并咪唑共轭梯形聚合物复合材料（PBI@Gr）。在合成过程中，采用了分子设计策略来调控单体的π共轭骨架结构，从而实现了全共轭梯形聚合物的可控合成。在水热条件下，PBI前体在石墨烯表面及其层间发生原位聚合，形成夹层结构。PBI单元含有丰富的可逆氧化还原位点，能够促进多电子转移反应，从而最大限度地提高理论容量。梯形桥接单元的引入增强了聚合物主链的刚性，限制了氧化还原活性位点在充放电过程中的分子运动自由度，从而改善了界面电荷转移动力学。与此同时，PBI单元与石墨烯表面sp²碳网络之间的稳定π-π共轭耦合，有效提升了电子导电性、结构稳定性以及氧化还原活性位点的可及性，赋予该复合材料优异的电化学锂存储性能。具体而言，当石墨烯负载量优化后，所得的 PBI@Gr-3 负极展现出卓越的电化学性能：在0.1Ag−1电流密度下，可逆容量高达1225 mA h g−1； 即使在 2.0 A g−1的较高电流密度下，仍能保持 418 mA h g−1；在 0.1Ag−1下循环40次后，仍保留 1030 mA h g−1，展现出优异的容量保持率。更值得注意的是，该负极在5.0Ag−1的高电流密度下连续循环6000次后，仍保持70%的容量保持率，凸显了其卓越的长循环稳定性和抗电化学疲劳能力。此外，通过调节聚合物链结构和石墨烯负载量，可以精确优化复合材料的微观结构，从而精确控制电极的氧化还原电位、电子传输动力学和离子扩散行为，进而全面提升电池容量、倍率性能和循环寿命等关键电化学性能。
因此，本研究为开发低成本、环保且长寿命的有机电极材料提供了一种可扩展的策略，同时为下一代高性能电化学储能装置的分子设计和界面工程提供了新的见解，展现出在先进储能系统中的广阔应用前景。
文献：https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2026.103831
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