論文簡介

本論文報道了一種可降解的自由基聚合物正極材料（co-PTN），通過共聚2，3-二氫呋喃與含有TEMPO的降冰片烯衍生物合成。這種聚合物正極材料不僅具有電化學穩定性，還能在酸性條件下降解，其對應的鋰電池（Li//co-PTN）展現出高達100.4 mAh g-1的可逆容量和超過1000個循環的長壽命。這一成果為下一代可持續的基于聚合物的電池技術提供了重要的進展。

研究背景

隨著全球電動汽車市場的持續擴大，對電池的需求迅速增長，預計到2040年全球電動汽車的存量將比2016年增長60-70倍。鋰離子電池（LIBs）作為最成功的商業化產品，主導著可充電電池市場。然而，目前使用的鈷、鎳氧化物和稀土金屬等商業正極材料在高溫生產過程中產生巨大的碳足跡，并且由于全球礦產資源稀缺和社會因素，面臨成本挑戰。因此，從資源儲備、成本和環境影響的角度來看，需要開發更可持續的替代產品。此外，傳統LIBs的無機正極材料引起的金屬資源限制、高能耗和環境污染問題，有望通過基于聚合物的電極來解決，因為聚合物基電極具有可持續生產和低碳足跡的特點。但是，大多數研究的聚合物活性材料由不可降解的脂肪族主鏈組成，導致其不可降解性，造成塑料污染，傳統的廢物管理如焚燒和填埋將不可避免地帶來環境負擔。更嚴重的是，含有氮元素（例如聚胺、有機自由基聚合物）或硫元素（例如有機硫）的聚合物基電極的焚燒將產生有毒氣體，如二氧化氮（NO2）和二氧化硫（SO2）。因此，可降解聚合物應成為未來綠色電池的理想候選材料。然而，迄今為止，可降解聚合物電極鮮有報道，且已開發的可降解聚合物電極通常展現出非常低的容量（《 40 mAh g-1）和較差的循環穩定性（《 100個循環）。

圖文導讀

Figure 1 展示了自由基聚合物的合成路線、FT-IR光譜、ESR光譜和TG曲線。分析了合成的NBE單體和共聚物co-PTN的結構特征，包括N-O?鍵的振動、nitroxide自由基的存在以及聚合物的熱穩定性。證實了TEMPO功能團的成功引入以及聚合物在室溫下的熱穩定性能。

Figure 2 描述了co-PTN電極的電荷存儲機制，包括原位FT-IR光譜、循環伏安曲線和不同電位狀態下的XPS光譜。分析了co-PTN電極在充放電過程中的氧化還原反應機制，展示了N-O?自由基的氧化和還原過程，以及伴隨的PF6-陰離子的吸附和脫附。

Figure 3 展示了co-PTN電極的恒流充放電性能和長循環穩定性。分析了在不同電流密度下電池的放電比容量和循環性能，以及在減少導電碳添加量的情況下電池的性能。結果表明，即使在低導電碳含量的情況下，co-PTN電極也能展現出高比容量和優異的循環穩定性。

Figure 4 描述了co-PTN聚合物的降解過程。分析了在溫和酸性條件下聚合物的降解行為，并通過GPC追蹤了降解產物的分子量變化。結果證實了聚合物可以在溫和酸性條件下完全降解成小分子，展示了其優異的降解性能。

Figure 5 展示了co-PTN聚合物的酸催化降解機制和MALDI-TOF質譜分析結果。分析了聚合物在酸性條件下的水解機制，以及降解產物的分子結構。結果證實了聚合物在酸性條件下可以完全水解成小分子或低聚物，且沒有不可降解的聚NBE長鏈殘留。

總結與展望

研究團隊成功合成了一種新型的可降解自由基聚合物正極材料co-PTN，通過環烯烴復分解聚合（ROMP）方法結合NBE和DHF單體，制備出的聚合物兼具氧化還原活性和酸降解性。co-PTN電極基于二電子氧化還原反應機制，展現出了100.4 mAh g-1的高可逆容量和超過1000個循環的壽命，即使在僅添加10%導電碳的情況下，也表現出71.1 mAh g-1的高比容量和每循環0.06%的低容量衰減率。此外，co-PTN電極材料在溫和酸性條件下可以完全水解成小分子或低聚物，沒有不可降解的聚合物殘留，這為開發下一代可持續的聚合物基電池技術提供了重要的進展。研究還指出，未來研究中優化電解液對于減少放電產物在電解液中的溶解和提高co-PTN電極的循環穩定性至關重要。