随着化石能源消耗量的逐渐上升，发展低成本、高安全性的大规模储能技术是解决当前能源消耗问题的途径之一。可充电镁金属电池(RMBs)因其理论比容量高(3833 mAh·cm^-3)、还原电位低(−2.37 V vs. SHE)以及镁资源在地球上的丰富储量而备受关注。更重要的是，Mg金属负极在实际应用中具有相当低的枝晶形成倾向，具有很高的安全性。然而，由于正极材料与电解液的相容性较差，以及Mg²⁺与正极材料之间的强相互作用力，使得RMBs的发展受到了一定的限制。因此，有必要开发与电解液兼容性好的正极材料。聚苯胺(PANI)因其优异的导电性、高电化学反应性/可逆性和成本效益从而成为最常用的共轭聚合物之一。此外，在初步研究中，PANI被证明是RMBs潜在的正极材料。然而，对于金属镁作为负极，PANI中镁的储存机理，目前还缺乏全面的研究。调控离子的电荷密度是提高RMBs动力学和电化学性能的有效策略。因此，研究PANI中储存了哪些离子是很重要的。

通过简单的分层静置法合成了高纯度的PANI材料，并选择不同的电解液作为载流子的来源进行相应的研究。

研究了PANI与不同镁离子储存时的电化学性能。在含氯电解液中PANI储存MgCl⁺时，PANI具有更高的工作电压(2.3 V)，更高的比容量(0.1 A·g^-1电流密度下75.5 mAh·g^-1)和更好的动力学性能。此外，在MgCl⁺的储存过程中，PANI的溶解问题也得到了缓解。利用原位Raman光谱、非原位XPS、TEM和TOF-SIMS等实验揭示了MgCl⁺在聚苯胺中的可逆储存机理。此外，利用密度泛函理论(DFT)研究了不同Mg物种在PANI中储存的电压以及不同Mg物种在PANI中的扩散行为。本研究完善了PANI在RMBs中的存储机制，为PANI的应用提供了新的指导。

图1. PANI的合成步骤及材料表征

图2.PANI储存不同离子时的电化学性能

图3.PANI储存不同离子的动力学性能及DFT计算结果

图4.PANI的储镁机理

安琴友，国家级高层次青年人才，武汉理工大学研究员，博士生导师，围绕纳米储能材料与器件方向，重点开展了纳米电极材料可控生长、性能调控、器件组装、原位表征、电化学储能等系统性的基础研究工作，在镁电池、锌离子电池等领域取得了一系列研究成果，在Energy Environ.Sci.、Adv. Mater.、Nano Lett.、Angew、ACS Nano、Natl. Sci. Rev.等期刊上发表SCI收录论文210余篇，其中以通讯、第一作者发表论文130余篇。论文引用15600余次，13篇论文被选为ESI高被引论文。申请专利40余项，已授权26项。任《Interdisciplinary Materials》期刊学术编辑、《Journal of Magnesium and Alloys》和《Chinese Chemical Letters》期刊青年编委，获湖北省自然科学一等奖（排名第二）、湖北省杰出青年科学基金资助。

Luo P, Chao F, Zuo C, et al. Improving discharge voltage and ion storage dynamic in polyaniline via modulation of carrier charge density for magnesium-metal batteries. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6615-4.