近日，中國科學院院士、南開大學教授陳軍團隊 受Nature子刊《自然評論·化學》編委會邀請，發表題為“有機電極材料在鋰電池中的實際應用前景分析”的綜述論文。該文章深入闡述了有機電極材料的結構特徵、作用機理、構效關係等，著重分析了有機電極材料的實際現狀和應用前景，有助於學術界和工業界充分了解有機電極材料的實際應用潛力和待解決的問題，有望激發更多應用導向的研究工作，進而促進未來有機電池的商品化應用。文章第一作者為盧勇博士，通訊作者為陳軍院士。
鋰離子電池目前廣泛應用於各類便攜式電子設備，在人類社會的信息化、移動化、智能化、社會化等方面凸顯作用，並有望在電動汽車和智能電網等領域大規模應用。商品化鋰離子電池的正極材料主要是無機過渡金屬氧化物和磷酸鹽，其中過渡金屬資源大都不可再生，電池回收利用技術複雜、成本高，從長遠的角度來看可能會面臨資源短缺等難點問題。因此，可循環再生的電極材料開發已成為電池領域的學術前沿和重大需求。
圖1. 有機電極材料的循環再生過程。
有機電極材料由於含有豐富的碳、氫、氧等元素而顯現出可再生、綠色環保、低成本和高容量等優點，近年來受到了廣泛的關注。有機電極材料的製備具有合成創造的特點。有機電極材料一般可以從植物中（比如玉米等作物和蘋果等果蔬）直接提取或者以生物質材料為原料通過簡單的方法制備得到；在有機材料提取製備、電池裝配和回收過程中產生的二氧化碳又可以被植物吸收利用，因而體現了很好的循環和可再生性。然而，有機電極材料還面臨著在電解液中溶解度大、導電性差、密度低等難點問題，其材料特徵、作用機理、構效關係等亟待深入理解。
圖2. 有機電極材料可能的實際應用場景。
陳軍院士團隊的綜述論文圍繞有機電極材料的未來發展提出見解。文章指出，有機電極材料具有結構可調控特點。根據不同的分子結構和反應電位，有機材料在實際應用中可作為正極或者負極活性材料。文章首先討論了有機電極材料本身的各種關鍵性質，包括材料的能量密度、功率密度、循環壽命、密度、電導率、能量效率、價格、資源可用性和熱/化學穩定性。其中能量密度、功率密度和循環壽命是材料的基本電化學性質，這些性質會受到材料密度和電導率的影響，其他因素如穩定性和價格等也是必須要考慮的問題。接著從實際電池應用角度分析了電極中活性物質的單位面載量和電解液用量等因素對全電池性能的影響。最後利用軟件對以有機材料為正極或者負極的實際鋰電池體系進行了模擬，得出了相關電池體系的性能（如整體能量密度、功率密度）和價格等參數。結果表明，
n型有機正極材料特別是羰基化合物具有較好的實際應用前景。
圖3. 基於典型有機和無機電極材料的鋰電池體系的性能和成本估算。
文章最後指出未來研究應該著重關注以下幾個方面：一是需要關注有機電極材料的導電性和密度，這與實際電池的性能和成本等密切相關；二是應儘可能在全電池中、且接近實際應用條件下測試有機電極材料的性能；三是發展可商品化的含鋰負極或者開發鋰化的有機正極，這有利於構建和目前實際鋰離子電池類似的電池體系；此外，如何大規模、低成本生產高性能有機電極材料也需要探究。
來源 南開大學新聞網
文章鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41570-020-0160-9
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