综述：新兴有机聚合物作为钠离子电池电极材料：机理、特性、挑战与策略

本综述系统探讨了有机聚合物材料在钠离子电池(SIBs)中的应用潜力。文章重点分析了基于羰基(C=O)、亚胺(C=N)、偶氮(N=N)等活性基团的聚合物材料，通过n型/p型掺杂机制实现Na+的可逆存储，其理论容量可达500 mAh g–1，显著优于传统无机电极(如Na3V2(PO4)3)。作者详细阐述了导电聚合物(CPs)、共轭多孔聚合物(CPPs)、金属有机框架(MOFs)等材料的特性，并提出了复合碳材料、盐掺杂等性能优化策略，为开发绿色可持续能源存储器件提供新思路。

　　

引言

在追求环境友好型可再生能源的背景下，钠离子电池(SIBs)因其钠资源丰富、成本低廉等优势成为大规模电化学储能的研究热点。与传统锂离子电池相比，SIBs当前使用的过渡金属氧化物电极(如NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂)存在理论容量低(130 mAh g^–1)、加工能耗高、含不可再生金属等缺陷。有机聚合物电极材料凭借结构可设计性、环境友好性和高理论容量等特性，成为极具竞争力的替代选择。

有机电极材料的氧化还原机制

有机材料的电荷存储主要依赖电活性基团的价态变化：

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  羰基(C=O)通过烯醇化反应实现两电子转移，典型代表如1,4-苯醌理论容量达496 mAh g^–1

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  亚胺(C=N)基团通过可逆形成烯胺结构存储Na⁺，如聚酰亚胺材料

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  偶氮(N=N)化合物通过双键还原为单键实现电子转移

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  自由基聚合物通过n型/p型掺杂机制实现快速反应，但容量普遍较低

导电聚合物的突破性进展

自1977年聚乙炔的导电特性发现以来，聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)和聚噻吩(PTh)等材料因其共轭π键结构和可调控的导电性备受关注。例如，通过原位聚合将PANI与碳纳米管复合，可使电极导电性提升3个数量级，在1 A g^–1电流密度下循环500次后容量保持率达92%。

挑战与优化策略

当前面临三大核心挑战：

1. 1.

   本征导电性差：通过构建共轭骨架或与石墨烯复合解决

2. 2.

   循环稳定性不足：采用交联网络结构抑制材料溶解

3. 3.

   体积膨胀效应：设计多孔结构(如COFs)缓冲应力

未来展望

开发多电子反应体系、优化电解质匹配、探索规模化制备工艺将成为重点研究方向。特别是具有氧化还原活性的MOFs材料，其规则孔道结构有利于离子快速传输，未来可能突破现有性能瓶颈。