Macromolecular Rapid Communications: 羰基聚合物电极材料在锂离子电池和钠离子电池中的应用

近年来,移动通讯工具和电动汽车的快速发展,对电化学储能器件提出了越来越高的要求。其中,锂离子电池由于其高能量密度,高比容量,高效率及低成本和长寿命而受到越来越多的关注。目前主流的锂离子电池的电极材料是过渡族金属氧化物和基于层状结构的无机材料。虽然它们比其它电池技术具有一些优势,包括更好的导电性,更快的循环速率和更长的循环寿命,但是由于其理论容量低,刚性结构不能进行调整以进一步增加容量,因此他们的比容量在一定程度上受到了限制。另外无机材料加工涉及到高能量和高碳排放,以及有害废料的沉积,使得开发新的电极材料对于进一步提高锂离子电池的性能非常必要。

具有氧化还原活性的有机材料由于其高理论容量而有希望成为取代无机电极材料的候选材料之一。有机电极材料的优势包括低成本易获得,其氧化还原电位可以通过结构优化和化学修饰来进行调整。另外有机电极材料不光对锂离子有活性,其对任何金属离子,包括钠离子,都有电活性。由于上述无机电极材料的缺点,研究人员把越来越多的注意力放在了有机电极材料在锂离子电池和钠离子电池的应用上。到目前为止,不同种类的有机材料,包括有机硫化物,有机物自由基,有机羰基聚合物,导电聚合物,非共轭氧化还原聚合物和有机层状结构化合物都已经被应用于锂、钠离子电池。国家纳米中心魏志翔教授课题组就有机羰基聚合物材料在锂、钠离子电池中应用的最新进展进行了概括性综述,讨论了有机电极材料在器件结构和电荷存储机制上的优点。概述了羰基聚合物电极面临的挑战和相关解决方案。针对不同的羰基聚合物系统,给出了理论容量,实际容量和循环寿命的比较。并讨论了充电过程中的容量衰减现象和分子结构变化,强调了柔性电池设计的一些关键参数,并在最后指出了该领域未来可能的发展方向。该论文发表在Macromolecular Rapid Communications四十周年纪念专刊中