复旦大学董晓丽/王永刚Angew：高电位、稳定的双极性有机正极可用于快充、宽温域工作的有机物电池体系

有机羰基化合物通常具有较低的氧化还原电位并且其本身或其放电产物易溶解于电解液中。为解决以上问题，复旦大学董晓丽（点击查看介绍）、王永刚（点击查看介绍）团队设计了一种新型的双极性聚合物复合物（TAC）材料，具有高容量、长循环稳定性、优异的倍率性能以及高质量负载。该材料所组成的有机物电池具有优异的快充和宽温性能，为有机物电极的实际应用提供了指示。

随着化石燃料的持续消耗以及日益严重的环境问题，全球对开发清洁且高效的能源存储系统的需求日益增加。因此，充电电池，尤其是锂离子电池（LIBs），因其卓越的能量密度和优异的循环稳定性，成为了广泛研究的对象。然而，采用无机电极材料的锂离子电池面临资源短缺和高成本等挑战，限制了其在应对不断增长的电气设备需求中的应用前景。因此，开发新型且可持续的电极材料显得尤为重要。与无机材料相比，有机电极材料因其可调的结构、低成本和较强的环境友好性，逐渐被视为有前景的可充电电池电极材料。根据其反应机理，有机电极材料通常可分为两类：n型电极通过充放电过程储存阳离子，而p型电极则通过氧化还原反应储存阴离子。在各类有机电极材料中，具有多个活性位点的n型共轭羰基化合物（如蒽醌，AQ）已被证明能够作为高容量电极材料用于可充电电池。然而，这类材料通常表现出较低的工作电位（通常低于2.5 V vs. Li/Li⁺），这大大限制了基于羰基有机电极的电池能量密度。此外，小分子羰基化合物在极性有机电解液中容易溶解，导致在反复充放电过程中出现容量衰退。这些问题显著限制了有机羰基电极材料的实际应用。

图1. TAC的合成与表征

分子设计被认为是提升这类电极性能的有效手段，具体方法包括引入特定功能基团以提高工作电位，或通过分子聚合抑制材料的溶解性。更理想的做法是将这些功能基团整合到一个羰基分子中，以便在同一分子中同时实现较高的工作电位和优异的稳定性。受到这一思路的启发，p型有机材料因其相对较高的工作电位（>3 V vs. Li/Li⁺）而受到广泛关注。通过将p型活性基团与n型活性基团聚合，可以充分发挥两者的优势，从而产生具备所需特性的双极电极材料。在聚合过程中，可以通过接枝不同的单体来化学设计和改性分子结构。此外，该聚合过程还可以与原位生长在导电碳材料上的技术相结合，以克服有机材料固有的低导电性，从而提高其实际容量和倍率性能。基于这一设计思路，预计可以开发出一种新型有机材料，具有高容量、优异稳定性、高电压以及理想的导电性，这将推动有机羰基电极材料在实际应用中的广泛使用。

本文通过将p型三苯胺单元接枝到n型蒽醌上，从而形成扩展的π-共轭结构，并在碳纳米管上原位生长，合成了一种新型双极聚合物复合材料，具有管状核壳结构。研究表明，该材料不仅具有更高的放电电位，而且有效地抑制了溶解问题。

图2. TAC的氧化还原机理探究

作者通过原位红外以及非原位X射线光电子能谱表征了在不同充放电状态下TAC电极的活性基团变化。结果表明，TAC具有双离子存储机制，能结合n型蒽醌基团和p型三苯胺基团的优势在低电位和高电位下分别存储Li⁺和PF₆^-。

图3. TAC电化学性能。

该有机物电极具有赝电容特性，表现出快速的动力学，具有优异的倍率性能（100 C快充）、长循环稳定性（1000次循环后保持率87%）、高质量负载（10 mg cm^-2）。

图4. TAC宽温性能

此外，TAC具有良好的温度适应性，在-60 °C时可输出72 mAh g^-1的容量，在80 °C时可达到165 mAh g^-1。同时，TAC与石墨及锂金属组成的全电池均具有优异的快充和宽温性能。所组成的Li||TAC软包电池在10 C的大电流下仍具有较高的容量保持率。这种多功能聚合物结构为高性能有机材料在可充电电池中的设计提供了重要启示，满足了高稳定性和宽温度范围工作的需求。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是复旦大学研究生王浩天。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

High-Potential and Stable Organic Cathode for Rechargeable Batteries with Fast-Charging and Wide-Temperature Adaptability

Haotian Wang, Gaopan Liu, Wen Zhou, Yonggang Wang, Xiaoli Dong

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202416874

导师介绍

董晓丽

https://www.x-mol.com/university/faculty/382434 

王永刚

https://www.x-mol.com/university/faculty/9702