高容量有機(jī)羰基正極材料的分子設(shè)計(jì)以及環(huán)己六酮的合成和反應(yīng)機(jī)理 南開大學(xué)供圖

環(huán)己六酮反應(yīng)機(jī)理的理論計(jì)算模擬 南開大學(xué)供圖

鋰離子電池是一種非常重要的儲(chǔ)能技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于各類便攜式電子設(shè)備，并有望在電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)及分布式儲(chǔ)能等領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。隨著人類社會(huì)發(fā)展的信息化、移動(dòng)化、智能化，新型高容量、長壽命、低成本、高安全的電池亟待開發(fā)。

近日，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，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)研究成果發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》。

正極是鋰離子電池的“短板”

鋰離子電池的容量、能量密度等性能由正極限量，陳軍告訴《中國科學(xué)報(bào)》：“可以說，正極是鋰離子電池的一個(gè)‘短板’。”

另外，現(xiàn)有的鋰離子電池正極材料包含鈷等金屬元素，合成工藝涉及選礦、冶煉、回收等技術(shù)，存在資源匱乏、環(huán)境污染等難題。“因此，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)前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。”陳軍說。

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(duì)環(huán)境友好以及廉價(jià)豐富等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是極具發(fā)展前景的下一代鋰離子電池正極材料。然而，該類材料仍面臨實(shí)際容量不高（< 600 mAh/g）、易溶解于有機(jī)電解液等問題，導(dǎo)致其能量密度較低、容量衰減較嚴(yán)重、循環(huán)壽命較短。因此，如何設(shè)計(jì)合成具有超高容量的有機(jī)正極材料，并解決其在電解液中的溶解問題是鋰離子電池的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

研究人員把目標(biāo)鎖定在環(huán)己六酮。該材料只由六個(gè)羰基構(gòu)成，不存在任何非電化學(xué)活性的結(jié)構(gòu)單元，且每一個(gè)羰基都能參與電化學(xué)反應(yīng)，因此，環(huán)己六酮在眾多有機(jī)羰基正極材料中體現(xiàn)出目前最高的理論比容量（957 mAh/g）。

“開發(fā)出更高容量的鋰離子電池正極材料可以不斷提高電池體系的能量密度，從而提升電池的工作時(shí)間。”陳軍表示。

突破：提高材料的容量和壽命

在眾多的有機(jī)羰基正極材料中，環(huán)己六酮材料雖具有最高的理論容量，但其易與水反應(yīng)生成穩(wěn)定的水合物，也因此一直沒有被成功合成出來。經(jīng)分析探索，研究人員發(fā)展了一種脫水反應(yīng)新方法，通過精確控制脫水反應(yīng)的溫度和壓力，成功實(shí)現(xiàn)了環(huán)己六酮材料的合成。

另外，就正極材料而言，循環(huán)壽命的長短是決定其能否實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要因素。作為有機(jī)小分子材料，環(huán)己六酮易溶解在基于有機(jī)酯類和醚類的鋰離子電解液中，導(dǎo)致其循環(huán)壽命較短。

論文第一作者、南開大學(xué)博士盧勇接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示，為解決此問題，團(tuán)隊(duì)結(jié)合相似相溶原理，采用基于離子液體的電解液，并經(jīng)過系列優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)離子液體較大的極性能夠使環(huán)己六酮的溶解度大大降低。

陳軍指出，該方法有效提高了環(huán)己六酮的循環(huán)壽命，為環(huán)己六酮進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。他表示，合成具有超高容量的環(huán)己六酮材料，并優(yōu)化匹配的電解液、提高材料壽命，是這項(xiàng)研究的兩個(gè)主要突破。

隨后研究人員研究了環(huán)己六酮材料在鋰離子電池中的充放電反應(yīng)機(jī)理和電化學(xué)性能，結(jié)果表明環(huán)己六酮的放電比容量可達(dá)902 mAh/g，為目前已知的有機(jī)電極材料容量最高值，組裝的電池還體現(xiàn)了長循環(huán)壽命等特征。

鋰離子電池的“頂峰”

研究人員表示，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，為將來鋰離子電池在電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能電網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供支撐。

論文審稿人認(rèn)為，該研究首次合成了超高容量環(huán)己六酮正極材料，并通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)手段研究了環(huán)己六酮在鋰離子電池中的性能和充放電機(jī)理，是一項(xiàng)具有原始創(chuàng)新的工作，是未來可持續(xù)能源存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要突破。

陳軍指出，超高容量鋰離子電池環(huán)己六酮正極材料的合成以及鋰離子電池的應(yīng)用探究，將有機(jī)正極材料的能量密度提高到一個(gè)新的水平。

“具體來說，環(huán)己六酮材料的能量密度高達(dá)1533 Wh/kg，此能量密度遠(yuǎn)高于目前商品化的鋰離子電池正極材料，如鈷酸鋰（約600 Wh/kg），同時(shí)也高于目前研究報(bào)道的其他有機(jī)正極材料。”陳軍認(rèn)為，對(duì)只含有高豐度碳、氧元素的高能量密度環(huán)己六酮材料進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，有利于實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用，為未來高容量有機(jī)電極材料的設(shè)計(jì)、制備和電池應(yīng)用提供新思路。

美國工程院院士、康乃爾大學(xué)教授LyndenA. Archer表示，這一開創(chuàng)性成果把該領(lǐng)域的工作高度推向了頂峰。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/anie.201902185