鋰離子電池目前廣泛應(yīng)用于各類便攜式電子設(shè)備,并有望在電動汽車和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。但現(xiàn)有的鋰離子電池正極材料包含金屬鈷等元素,需要選礦、冶煉、回收等技術(shù),存在資源匱乏、環(huán)境污染等難題。近期,中國科學(xué)院院士、南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授陳軍團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了一種具有超高容量的鋰離子電池有機(jī)正極材料——環(huán)己六酮,該材料包含地球豐富的碳、氫、氧元素,且此類有機(jī)正極材料展現(xiàn)了鋰離子電池目前所報(bào)道的最高容量值,刷新了鋰離子電池有機(jī)正極材料容量的世界紀(jì)錄。相關(guān)成果發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》。第一作者為南開大學(xué)博士生盧勇,通訊作者為陳軍,南開大學(xué)為唯一的作者單位。

　　高容量、可再生、綠色環(huán)保、低成本的鋰電池正極材料已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。含有碳、氫、氧等元素的有機(jī)電極材料因其結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性、對環(huán)境友好和廉價豐富等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是非常具有可持續(xù)發(fā)展前景的下一代鋰離子電池正極材料。然而,該類材料仍面臨著實(shí)際容量不高、易溶于有機(jī)電解液等問題,導(dǎo)致其能量密度較低、容量衰減比較嚴(yán)重。因此,如何克服這兩大難題,設(shè)計(jì)合成具有超高容量的有機(jī)正極材料、解決其在電解液中的溶解問題具有非常重要的意義。

　　“通過分子設(shè)計(jì)可知,在眾多有機(jī)羰基正極材料中,只由羰基構(gòu)成的環(huán)酮材料由于不存在任何非電化學(xué)活性的結(jié)構(gòu)單元,因而體現(xiàn)目前的最高理論比容量。”陳軍介紹,團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)過程中,首先通過脫水反應(yīng)合成了環(huán)己六酮,通過紅外和拉曼等表征手段研究了環(huán)己六酮的反應(yīng)機(jī)理,結(jié)果表明在充放電過程中發(fā)生了羰基和烯醇基團(tuán)的相互轉(zhuǎn)化。

　　團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步優(yōu)化新型電解液并研究了環(huán)己六酮在鋰離子電池中的電化學(xué)性能,結(jié)果表明環(huán)己六酮的放電比容量可達(dá)902 mA h g-1,為目前已知的有機(jī)電極材料容量最高值。此外,由于環(huán)己六酮在高極性的離子液體中的溶解度較低,使得其在離子液體基的電解液中具有較好的循環(huán)性能,組裝的電池體現(xiàn)高容量和長循環(huán)壽命等特征。美國工程院院士、康乃爾大學(xué)Archer教授認(rèn)為,這一開創(chuàng)性成果把該領(lǐng)域工作高度推向了頂峰。

　　這項(xiàng)工作為高容量有機(jī)電極材料的設(shè)計(jì)、制備以及電池應(yīng)用提供了一種新的思路。以環(huán)己六酮為正極的鋰離子電池能夠?qū)崿F(xiàn)電池容量更高、壽命更長等優(yōu)勢,為將來電動汽車、儲能電網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供支撐。