Small:有机二次电池中芳香酰亚胺电极材料的分子工程

芳香族酰亚胺是一类含有电活性基团的和大π-缺电子骨架的有机材料,具有作为有机二次电池(OSBs)电极材料的潜力。然而,未修饰的芳香族酰亚胺往往存在容量低、在电解质中的溶解度高,电子/离子导电性差缺点。分子工程已经被证明是一个有效的策略来解决不理想的芳香酰亚胺特性,从而扩展其在OSBs中的应用范围。

上海交通大学崔勇和巢湖学院李明玲合作,在Small上发表综述文章,综述了近年来在调节芳香酰亚胺的比容量,溶解度,和电子/离子电导率用于有机锂电池,有机钠电池和氧化还原液流电池的研究进展。此外,讨论了它们在有机二次电池中应用的挑战和展望。文章要点如下:

一:小分子酰亚胺的分子工程

具有杰出光电性质的芳香小分子酰亚胺已在众多技术领域得到了应用。不幸的是,由于其在有机电解液中的高溶解度,低的电子电导率,慢的离子扩散速度,导致在电池性能的快速退化,因此它们作为电极材料应用于有机二次电池仍在研究中。为了解决这些问题,研究了多种修饰芳香酰亚胺分子结构的方法来调控它们物理和化学性质。系统地总结了如引入取代基,扩大芳香π共轭骨架体系,形成多孔结构等分子工程策略,进而提高小分子酰亚胺电池性能。在两电子可逆氧化还原反应的情况下,芳香小分子酰亚胺展示在1.5~3.0 V vs. Li+/Li范围内90~240 mAh g−1高理论比容量,已成功地用作有机二次电池的电极材料。

二:聚酰亚胺分子工程

聚酰亚胺作为电化学储能的氧化还原活性材料的研究还处于起步阶段。聚酰亚胺可以通过简单的一步聚合二酸酐作为活性单元和二胺或三胺作为连接体得到。结果表明,相对分子质量较高的聚酰亚胺在有机电解液中不溶或溶解较差,其循环稳定性优于相应单体。然而,固有的低电子导电率和慢离子扩散率仍然阻碍电池性能的进一步改进。因此,总结了分子工程修饰和其它策略,比如使用导电炭黑、石墨烯片和碳纳米管,突破了聚酰亚胺固有的电子绝缘,有助于提高电池的倍率性。

三:展望

目前,对芳香族酰亚胺的研究主要集中在二次电池的电极材料上。同样,聚酰亚胺可以制作成薄膜,作为电池隔膜。带极性基团的聚酰亚胺与电解液具有良好的亲和力,对二次电池的功率密度、循环稳定性和库仑效率起着重要作用。此外,先进的芳酰亚胺合成技术的改进,保证了功能分子的准确性,缩短了合成路线,节省了材料制备成本,便于实际应用。芳族酰亚胺的反应机理还没有很好的探索,特别是在有机多价离子电池中。利用NMR、XRD、FTIR、TEM等原位表征技术监测芳香族酰亚胺分子的不同电化学动态反应是未来研究的热点。除了实验方法外,利用DFT理论计算也可以更深入地理解芳香酰亚胺材料的结构与性能关系,为新型高性能电活性芳香酰亚胺材料的设计和合成提供理论支持。鉴于上述,芳香酰亚胺类化合物作为电极材料在二次电池或其它绿色储能和转换器件中具有广阔的应用前景。

期刊信息:

Molecular Engineering of Aromatic Imides for Organic Secondary Batteries

Lei Li  Yan‐Jun Yin  Jin‐Pei Hei  Xin‐Jun Wan  Ming‐Ling Li  Yong Cui

Small

DOI: 10.1002/smll.202005752