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環己六酮刷新鋰離子電池有機正極容量世界紀錄

時間:2019-05-21     來源:科學網

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高容量有機羰基正極材料的分子設計以及環己六酮的合成和反應機理 南開大學供圖

環己六酮反應機理的理論計算模擬 南開大學供圖

鋰離子電池是一種非常重要的儲能技術,目前已廣泛應用于各類便攜式電子設備,并有望在電動汽車、智能電網及分布式儲能等領域大規模應用。隨著人類社會發展的信息化、移動化、智能化,新型高容量、長壽命、低成本、高安全的電池亟待開發。

近日,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,刷新了鋰離子電池有機正極材料容量的世界紀錄。相關研究成果發表于《德國應用化學》。

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《中國科學報》:“可以說,正極是鋰離子電池的一個‘短板’。”

另外,現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,存在資源匱乏、環境污染等難題。“因此,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該領域的研究熱點和重點。”陳軍說。

含有碳、氫、氧等元素的有機電極材料因其結構可設計性、對環境友好以及廉價豐富等優點被認為是極具發展前景的下一代鋰離子電池正極材料。然而,該類材料仍面臨實際容量不高(< 600 mAh/g)、易溶解于有機電解液等問題,導致其能量密度較低、容量衰減較嚴重、循環壽命較短。因此,如何設計合成具有超高容量的有機正極材料,并解決其在電解液中的溶解問題是鋰離子電池的一項挑戰。

研究人員把目標鎖定在環己六酮。該材料只由六個羰基構成,不存在任何非電化學活性的結構單元,且每一個羰基都能參與電化學反應,因此,環己六酮在眾多有機羰基正極材料中體現出目前最高的理論比容量(957 mAh/g)。

“開發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間。”陳軍表示。

突破:提高材料的容量和壽命

在眾多的有機羰基正極材料中,環己六酮材料雖具有最高的理論容量,但其易與水反應生成穩定的水合物,也因此一直沒有被成功合成出來。經分析探索,研究人員發展了一種脫水反應新方法,通過精確控制脫水反應的溫度和壓力,成功實現了環己六酮材料的合成。

另外,就正極材料而言,循環壽命的長短是決定其能否實現實際應用的一個重要因素。作為有機小分子材料,環己六酮易溶解在基于有機酯類和醚類的鋰離子電解液中,導致其循環壽命較短。

論文第一作者、南開大學博士盧勇接受《中國科學報》采訪時表示,為解決此問題,團隊結合相似相溶原理,采用基于離子液體的電解液,并經過系列優化,發現離子液體較大的極性能夠使環己六酮的溶解度大大降低。

陳軍指出,該方法有效提高了環己六酮的循環壽命,為環己六酮進一步的實際應用奠定了基礎。他表示,合成具有超高容量的環己六酮材料,并優化匹配的電解液、提高材料壽命,是這項研究的兩個主要突破。

隨后研究人員研究了環己六酮材料在鋰離子電池中的充放電反應機理和電化學性能,結果表明環己六酮的放電比容量可達902 mAh/g,為目前已知的有機電極材料容量最高值,組裝的電池還體現了長循環壽命等特征。

鋰離子電池的“頂峰”

研究人員表示,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,為將來鋰離子電池在電動汽車、儲能電網等領域的應用提供支撐。

論文審稿人認為,該研究首次合成了超高容量環己六酮正極材料,并通過理論計算和實驗手段研究了環己六酮在鋰離子電池中的性能和充放電機理,是一項具有原始創新的工作,是未來可持續能源存儲技術領域的一個重要突破。

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

“具體來說,環己六酮材料的能量密度高達1533 Wh/kg,此能量密度遠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),同時也高于目前研究報道的其他有機正極材料。”陳軍認為,對只含有高豐度碳、氧元素的高能量密度環己六酮材料進行進一步優化,有利于實現其大規模的實際應用,為未來高容量有機電極材料的設計、制備和電池應用提供新思路。

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

相關論文信息:https://doi.org/10.1002/anie.201902185

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