近日，来自湘潭大学的高平教授与福州大学杨程凯教授合作发表题为“Thiophene functionalized porphyrin complexes as novel bipolar organic cathodes with high energy density and long cycle life”的观点文章。该研究成果发表在国际顶级期刊Energy Storage Materials上（IF：17.78）。湘潭大学化学学院研究生伍星为本文第一作者，湘潭大学高平，福州大学杨程凯和刘哲源为论文的共同通讯作者。
有机材料因其环境友好、低碳足迹、合成环境温和、分子可设计性强等优点而受到广泛关注。然而，有机电极材料本征电导率低、比容量低、溶解度高，限制其大规模的应用。通过分子设计手段如何提高有机电池综合性能仍然是目前研究的重点和挑战，特别是兼顾高放电比容量、长循环寿命和大功率性能的有机正极材料。
该论文通过分子设计手段，提出了一种噻吩和乙炔基双功能化卟啉配合物的有机分子作为高稳定的新型正极材料。噻吩基和乙炔基的原位电化学氧化聚合行为显著抑制了有机材料在电解液中的溶解，提高了有机电极材料的电化学性能。并且通过调控配离子种类，合成了 [5, 15-bis-(ethynyl)-10, 20-dithienylporphinato]M(II), (M= Cu, Zn, Co, and 2H) 和[5, 10, 15, 20-tetrathienylporphinato]copper(II) (CuTTP)高活性有机正极材料。研究发现CuDETP表现出最佳性能，能有效地解决有机电极材料高溶解性，低电导率等问题。噻吩基团和卟啉上的氮原子共同提供活性位点，提出8电子转移的反应机理。当 CuDETP作为正极用于有机锂电池，在 100 mA g-1 电流密度下可提供 350 mAh g-1 的可逆比容量和 773.6 Wh kg-1 的放电比能量。 同时，实现了高达 9000 次的循环性能。
结合理论计算和实验结果，证明了CuDETP 的氮原子和噻吩基硫原子在充电状态下是共同锚定 PF6- 阴离子，而 Li+ 阳离子在放电状态下主要与卟啉框架的氮原子键合。充放电过程导致CuDETP 结构的无定形化以及赝电容贡献行为保证了卟啉电极的高功率密度发挥。通过分子结构的双功能化的设计方法将为开发具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命的有机材料提供新的思路。
图1. 论文中部分数据，(a)分子结构，(b)充放电曲线，(c)循环性能
高平教授2016年博士毕业于德国乌尔姆大学，随后在德国亥姆霍茨乌尔姆研究中从事博士后研究，2017年入选湖南省青年百人计划，从事新能源材料与器件以及新型二次电池体系研究。在Angew. Chem. Int. Ed.，Nano-Micro Lett., Adv. Mater., Energy Storage Mater. 等期刊发表研究论文多篇，其中新型氯离子电池 (Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 4285)以及新型有机锂离子电池(Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 10341) 两项工作被Nature Energy以及多家知名媒体作为亮点进行了报道。主持和参与了包括国家自然科学基金、欧盟等多个项目的研究。
论文题目：Thiophene functionalized porphyrin complexes as novel bipolar organic cathodes with high energy density and long cycle life.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.01.020