可充电电池用小分子有机电极材料

基于含有过渡金属(例如Co和Ni)的无机正极材料的传统锂离子电池面临着能量密度的天花板和资源可持续性的担忧。因此，有必要开发新型、高效的电极材料和不受资源限制的可充电电池技术。

有机电极材料(OEM)主要由C、H、O、N和S等天然丰富的元素组成，近年来由于其结构多样性和可设计性、高理论容量(高达至 600 mAh g -1)和能量密度(高达 1,000 Wh kg -1)，以及潜在的成本效益。

此外，电活性有机基团的氧化还原反应与嵌入的阳离子或阴离子具有广泛的兼容性，因此OEM几乎适用于所有类型的可充电电池，包括非水Li/Na/K/Mg电池、水系Zn电池、双离子电池、和氧化还原液流电池。根据结构特征，OEM主要可分为小分子、聚合物和金属有机框架(MOF)。

其中，小分子有机电极材料(SMOEM)具有更高的材料可用性和能量密度潜力。然而，它们也存在严重的溶解问题以及随后在非水电解质中的穿梭效应，导致循环稳定性和库仑效率较差。

近日，武汉大学宋志平教授课题组根据近二十年主机厂研究经验，系统总结了SMOEM的基础知识和见解。

在这篇综述中，作者首先介绍了基于 OEM 的四种可充电电池的电池配置和工作原理，包括金属有机电池、有机阴极或阳极的金属离子电池以及双离子电池。随后，对所报道的n型和p型电活性有机基团和单元及其氧化还原机制进行了清晰的分类。

在此基础上，他们详细列举了n型和p型SMOEM，举例说明了代表性实例，并讨论了它们的优缺点和发展前景。此外，针对SMOEMs的关键挑战，即溶出问题，作者从分子结构设计方法和外在优化方法两个方面系统地总结了提高循环稳定性的主要策略。

最后，他们对中小企业的研究现状和趋势提出了自己的看法，旨在更加科学、实用地指导中小企业的发展。