《Nature Materials》:第九類有機正極材料問世——共軛磺醯胺

當前,商業化鋰離子電池的正極材料主要是以無機過渡金屬氧化物和磷酸鹽為主,其中過渡金屬資源(如Co和Ni等)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。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。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、密度低等問題,特別是缺乏含鋰且空氣穩定的有機正極,極大限制了有機正極材料在鋰離子電池中的適用性。

近十年來,科學家在有機電極材料領域取得了長足的進展。除了羰基化合物外,其他的有機電極材料如導電聚合物、有機硫化物、有機自由基、亞胺類化合物、腈類化合物、偶氮化合物和具有超嵌鋰能力的化合物等也被開發出來應用於電池。儘管不同種類的有機電極材料具有不同的活性中心(官能團),但這些材料大都依賴於典型的共軛羰基氧化還原化學。

《Nature Materials》:第九類有機正極材料問世——共軛磺醯胺

鑒於此,比利時法語區魯汶大學Alexandru Vlad等人報導了一類共軛磺醯胺(CSAs)有機電極材料,大大擴展了有機鋰離子正極材料的化學空間。研究表明,CSA磺醯基上的電子離域使其能夠在環境空氣中保持本徵抗氧化性和耐水解性,並顯示出可逆的電化學電荷存儲能力。研究成果以「Conjugated sulfonamides as a class of organic lithium-ion positive
electrodes」為題,發表在《Nature Materials》上,比利時法語區魯汶大學Jiande Wang和 Alae Eddine Lakraychi為文章共同第一作者,通訊作者是Alexandru Vlad教授。

文章亮點:

一、CSAs不僅可看作是第九類有機電池材料,而且還滿足了鋰離子正極材料的要求:1)以還原的含Li形式合成;2)空氣穩定性,即具有長期的耐氧和耐濕性;3)在接近或高於3V(vs. Li+/ Li0)的電位下顯示可逆的多電子氧化還原。

二、通過實驗和理論結合,研究人員揭示了CSA氧化還原活性單元中豐富的結構-屬性-電荷存儲性能之間的相互作用。根據設計的不同,在2.85至3.45 V(vs. Li +/ Li0)的平均電壓下,可提供約100-200 mAh g-1的可逆容量。

三、優化後性能最佳的CSA表現出約520 Wh kg-1(在活性材料水平)的比能量,與商業化的LiFePO4相當,從而縮小了無機和有機鋰離子正極材料之間的間隙。

該工作的重要意義在於,闡釋了共軛羰基體系以外的氧化還原中心,並證實了CSA及其結構和組成的多樣性,有望用於多功能,合理可調的新興有機電池材料。

《Nature Materials》:第九類有機正極材料問世——共軛磺醯胺

參考文獻:

Wang, J., Lakraychi, A.E., Liu, X. et al. Conjugated sulfonamides as a class of organic lithium-ion positive electrodes. Nat. Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-00869-1

來源:高分子科學前沿

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來源:kknews《Nature Materials》:第九類有機正極材料問世——共軛磺醯胺