锂离子电池目前广泛应用于各类便携式电子设备,并有望在电动汽车和智能电网等领域大规模应用。但现有的锂离子电池正极材料包含金属钴等元素,需要选矿、冶炼、回收等技术,存在资源匮乏、环境污染等难题。近期,中国科学院院士、南开大学化学学院教授陈军团队设计合成了一种具有超高容量的锂离子电池有机正极材料——环己六酮,该材料包含地球丰富的碳、氢、氧元素,且此类有机正极材料展现了锂离子电池目前所报道的最高容量值,刷新了锂离子电池有机正极材料容量的世界纪录。相关成果发表于《德国应用化学》。第一作者为南开大学博士生卢勇,通讯作者为陈军,南开大学为唯一的作者单位。

　　高容量、可再生、绿色环保、低成本的锂电池正极材料已成为当前的研究热点。含有碳、氢、氧等元素的有机电极材料因其结构可设计性、对环境友好和廉价丰富等优点被认为是非常具有可持续发展前景的下一代锂离子电池正极材料。然而,该类材料仍面临着实际容量不高、易溶于有机电解液等问题,导致其能量密度较低、容量衰减比较严重。因此,如何克服这两大难题,设计合成具有超高容量的有机正极材料、解决其在电解液中的溶解问题具有非常重要的意义。

　　“通过分子设计可知,在众多有机羰基正极材料中,只由羰基构成的环酮材料由于不存在任何非电化学活性的结构单元,因而体现目前的最高理论比容量。”陈军介绍,团队在实验过程中,首先通过脱水反应合成了环己六酮,通过红外和拉曼等表征手段研究了环己六酮的反应机理,结果表明在充放电过程中发生了羰基和烯醇基团的相互转化。

　　团队进一步优化新型电解液并研究了环己六酮在锂离子电池中的电化学性能,结果表明环己六酮的放电比容量可达902 mA h g-1,为目前已知的有机电极材料容量最高值。此外,由于环己六酮在高极性的离子液体中的溶解度较低,使得其在离子液体基的电解液中具有较好的循环性能,组装的电池体现高容量和长循环寿命等特征。美国工程院院士、康乃尔大学Archer教授认为,这一开创性成果把该领域工作高度推向了顶峰。

　　这项工作为高容量有机电极材料的设计、制备以及电池应用提供了一种新的思路。以环己六酮为正极的锂离子电池能够实现电池容量更高、寿命更长等优势,为将来电动汽车、储能电网等领域的应用提供支撑。