Advanced Functional Materials:钠离子电池中先进有机电极材料的最新进展:合成、机理、挑战和前景

钠离子电池以其突出的电化学性能,低廉的价格被认为是最具吸引力的替代锂离子电池成为下一代可持续和大规模电化学储能系统的产品。其中有机电极材料因其低廉的成本、环境友好、高的能量/功率密度、良好的结构设计性等优点,成为了一类颇具潜力的钠离子电池电极材料。然而,有机电极材料的应用和发展常受到其电导率低、循环稳定性差和电解液中溶解度高等固有缺陷的限制。近年来,有关有机电极材料在钠离子电池中的研究层出不穷,各种新机制和优异电化学性能的新材料不断地被报道。因此,总结这一领域的研究进展,并归纳出有利于这一领域未来发展的一般性结论,具有十分重要的意义。

上海大学可持续能源研究院/理学院张久俊&赵玉峰教授课题组,基于近期相关工作和已有的文献报道,系统综述并展望了有机电极材料在钠离子电池中的研究进程。文章从小分子有机物到大分子有机聚合物系统地总结了钠离子电池中电极材料的研究和开发的最新进展,文中主要从有机材料的分子结构设计/修饰、合成方法、电化学行为以及相应的电荷存储机制等方面进行了总结。此外,文章还首次将新型的偶氮类化合物和MOF材料进行了归纳。

有机小分子材料主要包括羰基化合物(C=O,酮、醌、羧酸、酸酐化合物),席夫碱和蝶啶衍生物(C=N),偶氮衍生物(N=N)三种。其中,在羰基(C=O)化合物中,醌类和酮类具有出较高的氧化还原电位;羧酸具有较低的Na+插入电压;酸酐具有较高的比容量和长的循环寿命。基于C=N键的席夫碱和蝶啶衍生物具有可调的电化学活性。而作为一种新型的电极材料,基于N=N键的偶氮衍生物则可以通过对分子结构的设计和修饰,从而开发出高容量和高倍率的材料。对于大分子聚合物,在有机钠离子电池(OSIB)中常见的主要有硝基自由基聚合物、导电聚合物、有机金属聚合物、共轭微孔聚合物、共价有机框架(COF)和金属-有机框架化合物(MOF)。其中有机自由基聚合物和有机金属聚合物通常表现出更快的动力学性质,但其容量通常很低。而COF和MOF衍生材料具有一定的结构优势,稳定性好,其易于调控的纳米结构和形貌则可以容纳更多的Na+

然而,小分子有机电极材料普遍存在溶解度高、稳定性差的缺点,而有机聚合物材料往往理论比容量低,电导率低。为了改善有机材料的电化学性能,文章分别从功能导向分子设计、微观形貌调控和有机-无机复合材料的构建等三个方面,全面的总结和分析了有机钠离子电池面临的挑战和有效的设计策略。最后还总结了钠离子电池发展中的挑战和前景。并指出通过分子模拟计算来探索新的电极材料、可逆活性基团、反应机理等,以及深入研究水系、柔性和全固态有机钠离子电池将是未来非常具有潜力的研究方向。

该综述为有机材料在钠离子电池中的实际应用提供了指导性的策略。而且上述所有策略都具有普适性,也适用于有机电极材料在其他金属离子电池中的设计和开发。相关论文以Recent Progress in Advanced Organic Electrode Materials for Sodium-Ion Batteries: Synthesis, Mechanisms, Challenges and Perspectives为题目在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201908445)上,第一作者为可持续能源研究院/上海大学理学院博士生殷秀平,通讯作者为上海大学可持续能源研究院/理学院赵玉峰教授。