有机电极材料应用于可充钠离子电池

由于丰富的资源和低廉的价格，钠离子电池被认为是潜在的大规模储能电池体系。相有关目前大量报道的无机电极材料，有机材料具有如下优点。首先，有机电极材料通常采用温和的方法进行制备，反应多为室温下或者200℃以下进行的取代反应或聚合反应等，这能够减少在电极制备过程中的能量消耗和二氧化碳的排放；其次，大部分有机电极材料可取自天然产物或其衍生物，满足可持续发展的要；再者，有机电极材料是基于氧化还原中心的电荷转移反应，能够承受钠离子较大的半径。最重要的是，经过合理设计，有机正极材料的比容量可接近500安时每公斤，远高于目前报道的无机正极材料。尽管具有以上诸多优点，有机电极材料也存在活性材料易溶于有机电解液、导电性差、电压低等问题亟待解决。

近日，南开大学陈军教授团队综述了有机电极材料在钠离子电池中的应用情况。目前用在钠离子电池体系的有机电极材料重要基于碳氧双键反应，掺杂反应以及碳氮双键反应。其中基于碳氧双键反应的电极材料重要包括醌类化合物，羧酸盐化合物，酸酐以及酰胺类化合物。该类化合物容量较高，循环性能稳定，目前研究最为广泛。基于掺杂反应的电极材料重要包括有机自由基类化合物，导电聚合物，微孔聚合物，有机金属化合物等。其中p-掺杂反应通常由电解液中的阴离子参与，工作电位一般高于3V。而n-掺杂反应由电解液中的阳离子参与，工作电位一般在2V以下。基于碳氮双键反应的化合物重要包括席夫碱，蝶啶类衍生物等。此类电极材料目前研究较少，工作原理还需进一步深入探索。此外，通过一系列的设计，有机电极材料的电压，比容量，溶解性，导电性等参数都能够合理的进行调控。例如，通过新增活性官能团在分子中所占的比例，可以提高电极材料的理论比容量。通过调整有机分子的最低未占据轨道能级的能量，材料的电压可以有效调控。拉电子的基团可以升高材料的工作电位，而给电子基团能够降低材料的工作电位。通过对有机分子进行聚合，可以有效地抑制电极材料在电解液当中的溶解问题。与碳材料进行复合，可以提高材料的导电性，促进电极材料倍率性能的提升。

同时，作者展望了有机电极材料在钠离子电池中的发展前景。未来有机电极材料应该侧重于水系以及有机电解液体系钠离子全电池的研究。此外，探索如何在不损失整体容量的基础上提高有机材料的导电性，降低其在电解液当中的溶解，同时提高其长循环稳定性也是未来发展的难点和重点。相关成果发表在AdvancedEnergyMaterials（DOI:10.1002/aenm.201601792）上。