天大许运华PNAS：史上最强有机正极，1338mAh/g！

有机材料作为锂电池电极的用途引起了人们的广泛关注，与无机电极材料相比，有机电极材料具有结构多样性和可设计性、原料丰富、合成相对容易、环保等诸多优点。它们的能量储存过程依赖于活性基团(如羰基、季氮和硝基)与阳离子或阴离子的结合。当前对有机电极的研究主要集中在材料层面，不断探索新的有机电极结构来实现更高的比容量和循环寿命。

▲有机电极发展路线图

南开大学陈军院士在2020年发表的Nat Rev Chem列出了有机电极的发展路线（https://doi.org/10.1038/s41570-020-0160-9），在该路线中，容量最高的有机电极材料是陈军院士在2019年发表在Angew上的工作（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 7020–7024），报道了环己六酮作为正极，20 mA/ g下测试得到比容量为902 mA h /g。作为对比，钴酸锂的理论容量才270mAh/g。

近日，天津大学许运华教授等人在PNAS上发文，A nitroaromatic cathode with an ultrahigh energy density based on six-electron reaction per nitro group for lithium batteries，实现了超高容量的一次锂-有机电池，该电池的理论和实验容量都打破了研究者对传统锂离子电池的认知。

多数的有机官能团只能进行一电子反应，导致了比容量的有限性，比如C=O可以转化成C-OLi，该官能团仅有957 mAh/g的容量（基于C=O的质量计算），如果考虑到非活性部分，绝缘特性以及溶解性，很多有机电极材料仅能展现出很少的容量。

要想提升有机电极的比容量，需要：

（1）降低非活性部分的质量；

（2）提升官能团的数量；

（3）提高一个官能团可转移的电子数。

本文所采用的有机正极1,5-二硝基萘（1,5-DNN），专注于提高官能团的可转移电子数，官能团NO₂可以全部转化成NH₂，一个分子上有两个硝基，就可转移12个电子，因此Li/1,5-DNN电池所展现出的容量也是惊人的，理论容量是1457 mAh/g，在实验中达到了1338 mAh/g，放电平台在2.5 V左右，能量密度为3273 Wh/kg。

▲1,5-DNN转化过程

值得说明的是，该有机电极在放电后是不可逆的，因为高容量是以N-O完全断裂为代价的，文中主要还是展现其一次电池的性能以及放电过程中发生了一些副反应，导致了LiF, Li₂CO₃, Li₂C₂O₄, 和ROCOOLi的生成。

这种电池为实现高能量密度有机电极材料的实际应用提供了一条途径。

图文详情

图1. 电池中有机基团的反应机理

图2. 1,5- DNN的电化学性能

图3. 1,5- DNN的反应机理

图4. 放电后1,5- DNN电极的表征

图5. 提出的还原过程

图6. 在不同电解液和气氛中的放电性能

通讯作者

许运华，天津大学材料学院教授，全国百篇优秀博士学位论文（2010年）获得者。2002年毕业于郑州大学，获应用物理学学士学位。2008年在华南理工大学获得材料物理与化学博士学位，师从彭俊彪教授和曹镛院士。2006年-2009年在美国加州大学圣巴巴拉分校做交换学生和博士后。2009年-2015年在美国马里兰大学做储能材料与器件方面的研究，合作导师为王春生教授。目前，主要从事电化学储能材料、锂硫电池、钠/钾离子电池和电池电化学过程等方面的研究。已发表论文80余篇，其中30余篇发表在影响因子大于10的学术期刊上，5篇为ESI热点论文，15篇高被引论文，论文被引用超过6500次。

文献信息

Chen et al. A nitroaromatic cathode with an ultrahigh energy density based on six-electron reaction per nitro group for lithium batteries. 2022 119 (6) e2116775119

https://doi.org/10.1073/pnas.2116775119

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