鋰離子電池目前廣泛應用于各類便攜式電子設備,并有望在電動汽車和智能電網等領域大規模應用。但現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,存在資源匱乏、環境污染等難題。近期,中國科學院院士、南開大學化學學院教授陳軍團隊設計合成了一種具有超高容量的鋰離子電池有機正極材料——環己六酮,該材料包含地球豐富的碳、氫、氧元素,且此類有機正極材料展現了鋰離子電池目前所報道的最高容量值,刷新了鋰離子電池有機正極材料容量的世界紀錄。相關成果發表于《德國應用化學》。第一作者為南開大學博士生盧勇,通訊作者為陳軍,南開大學為唯一的作者單位。

　　高容量、可再生、綠色環保、低成本的鋰電池正極材料已成為當前的研究熱點。含有碳、氫、氧等元素的有機電極材料因其結構可設計性、對環境友好和廉價豐富等優點被認為是非常具有可持續發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際容量不高、易溶于有機電解液等問題,導致其能量密度較低、容量衰減比較嚴重。因此,如何克服這兩大難題,設計合成具有超高容量的有機正極材料、解決其在電解液中的溶解問題具有非常重要的意義。

　　“通過分子設計可知,在眾多有機羰基正極材料中,只由羰基構成的環酮材料由于不存在任何非電化學活性的結構單元,因而體現目前的最高理論比容量。”陳軍介紹,團隊在實驗過程中,首先通過脫水反應合成了環己六酮,通過紅外和拉曼等表征手段研究了環己六酮的反應機理,結果表明在充放電過程中發生了羰基和烯醇基團的相互轉化。

　　團隊進一步優化新型電解液并研究了環己六酮在鋰離子電池中的電化學性能,結果表明環己六酮的放電比容量可達902 mA h g-1,為目前已知的有機電極材料容量最高值。此外,由于環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性能,組裝的電池體現高容量和長循環壽命等特征。美國工程院院士、康乃爾大學Archer教授認為,這一開創性成果把該領域工作高度推向了頂峰。

　　這項工作為高容量有機電極材料的設計、制備以及電池應用提供了一種新的思路。以環己六酮為正極的鋰離子電池能夠實現電池容量更高、壽命更長等優勢,為將來電動汽車、儲能電網等領域的應用提供支撐。