高功率锂电池有机电极材料的新设计思路

锂离子电池(又称可充锂电池)以高能量和高功率密度而在移动电子产品市场占有统治地位,近年更进一步被探索示范于电动汽车和智能电网储能领域。商品化的锂离子电池采用含锂的过渡金属含氧酸盐作为电池正极活性材料,其制备涉及长时间高温(600-800 °C)反应,在大规模生产中能耗和环境影响都不容忽视;另外,过渡金属在地壳中的有限储量也将成为电池大规模应用的制约因素。相比之下,有机电极材料具有原料廉价且取之不尽、生产能耗小、碳排放量低、可循环利用和比容量高等优点,属于新一代锂电池电极材料的研发重点与前沿。但有机电极材料尤其是比容量较高的有机羰基化合物和有机硫化合物通常是绝缘体,难以在较高的电流密度下工作。目前提高功率密度的方法主要是把有机电极材料与导电材料如碳纤维、石墨烯等结合形成复合物,通过缩短电子在活性材料中的传输距离而改善倍率性能。然而如何从有机材料本身设计的角度出发来提高电极功率密度更具挑战性。南开大学化学学院陈军教授带领课题组日前针对这一问题提出一种有机电极材料的新设计思路,即通过在材料的分子结构中引入芳香杂环结构显著提高功率密度。其结果发表在Advanced Energy Materials

该团队在大量分子结构设计基础上,系统研究了芳香杂环这一类能在很大程度上调节有机化合物电子性质的结构单元对有机储能电极材料性能的影响。结果表明骨架相似而芳香环系不同的四个芳环稠合苯醌衍生物包括呋喃、噻吩和吡啶环等的杂环为材料带来分子量、电子亲和性、离子亲和性以及结晶性的综合变化,使材料展示了明显比不含杂环的苯并类似物(蒽醌)优越的性质,包括比能量提高、循环稳定性改善、体相离子扩散速率加快等。其中含有呋喃环的苯并呋喃[5,6-b]呋喃-4,8-二酮在100C充放电下的功率密度高达29.8 kW kg-1

有机功能电子材料在光电转化、电致发光、场发射晶体管等领域已经经历了多年的发展,但是在锂电池有机电极材料及电化学储能领域尚属新兴事物。该工作创造性地把有机功能电子材料中常用于调控有机电子器件性能的杂环结构引入电池材料中并系统地进行了研究,建立了适用于有机羰基正极材料的若干基本设计原则,在有机电子器件和锂电池这两个庞大的领域之间构建了一道桥梁,指出了一条富有潜力而未被探索的电极材料设计思路。