高容量锂化有机正极材料的可控制备和锂离子电池应用 | NSR

近日，《国家科学评论》在线发表了南开大学陈军院士课题组的研究成果，该研究团队首次提出分子间热重排方法实现了锂化有机正极材料的可控制备，制备的材料在锂离子电池中展现出高比容量和高电压等优点。

锂离子电池目前被广泛应用于便携式电子设备，并在大规模储能领域中展现出巨大的应用前景。当前商品化锂离子电池正极材料主要是过渡金属氧化物和磷酸盐。这些无机正极材料从长远来看可能会存在资源短缺等问题。相比之下，有机电极材料因具有丰度高、环境友好、可再生等优点而备受关注。然而，目前所报道的有机正极材料大多数不含锂，必须与含锂负极（例如锂金属）相匹配，这不可避免地限制了大多数有机正极材料的实际应用。因此，开发处于还原态的锂化有机正极材料、并与商业化负极材料（例如石墨）相匹配，对于促进有机正极材料的实际应用具有非常重要的意义。然而，锂化有机正极材料存在着两个主要难点和挑战，一个是合成条件苛刻，需使用氢化锂或甲醇锂等活泼试剂；另一个是锂化有机正极材料的可逆容量普遍较低。

针对上述问题和挑战，研究团队提出了一种无需使用有机溶剂的分子间热重排方法实现了锂化有机正极材料对苯二酚二锂的可控制备。制备的对苯二酚二锂材料可展现出323 mAh/g的高比容量和2.8 V的平均放电电压。原位X射线衍射揭示了充放电过程中正交晶系的对苯二酚二锂和单斜晶系的苯醌之间的可逆转化机制，并通过理论计算阐明了锂离子在材料晶体结构中的扩散路径。此外，研究还发现对苯二酚二锂晶体结构中独特的Li-O通道有利于锂离子的快速扩散。通过隔膜改性可以在一定程度上解决对苯二酚二锂电极在充放电过程中的溶解穿梭问题，从而提升其循环稳定性。该研究为高容量锂化有机正极材料的精准可控合成和电池应用提供了新的思路。

对苯二酚二锂的合成示意图和合成反应机理

（上）对苯二酚二锂不同的合成方法示意图及相应特点。（下）分子间热重排方法合成对苯二酚二锂的反应机理。