中国科学家分析有机电极材料应用前景

近日，中国科学院院士、南开大学教授陈军受《自然·评论·化学》编辑委员会邀请，发表了题为《有机电极材料在锂电池中的实际应用前景分析》的评论论文。深入阐述了有机电极材料的结构特点、作用机理、构效关系等。着重分析了有机电极材料的现状和应用前景，有助于学术界和工业界充分认识有机电极材料的实际应用潜力和有待解决的问题。

据报道，锂离子电池目前广泛应用于各种便携式电子设备，在人类社会的信息化、移动化、智能化、社会化等方面发挥着突出的作用，有望广泛应用于电动汽车、智能电网等领域。商用锂离子电池的正极材料主要是无机过渡金属氧化物和磷酸盐，其中过渡金属资源大多是不可再生的。电池回收技术既复杂又昂贵。从长远来看，它可能面临资源短缺等困难。因此，开发可回收电极材料已经成为电池领域的一个学术前沿和主要需求。

有机电极材料因其富含碳、氢、氧等元素以及可再生、绿色、环保、低成本和高容量等优点，近年来受到广泛关注。该材料的制备具有合成和创造的特点，通常可以直接从植物(如玉米等作物和苹果等水果和蔬菜)中提取，或者以生物质材料为原料通过简单的方法制备。在有机材料的提取和制备、电池组装和回收过程中产生的二氧化碳可以被植物吸收和利用，从而表现出良好的循环利用和再现性。

然而，与此同时，有机电极材料也面临着诸如在电解质中溶解度大、导电性差、密度低等困难。其物质特征、作用机制、构效关系等。需要深入理解。

陈军团队的综述论文首先讨论了有机电极材料本身的各种关键性能，包括能量密度、功率密度、循环寿命、密度、电导率、能效、价格、资源可用性和材料的热/化学稳定性。其中，能量密度、功率密度和循环寿命是材料的基本电化学性能。这些性能将受到材料密度和电导率的影响。其他因素，如稳定性和价格，也必须加以考虑。

从电池实际应用的角度，分析了电极中活性物质的单位表面负荷和电解液量等因素对整个电池性能的影响。最后，通过软件模拟了以有机材料为正极或负极的实际锂电池系统，得到了相关电池系统的性能(如总能量密度、功率密度)和价格参数。

文章最后指出，未来的研究应集中在以下几个方面:第一，有机电极材料的电导率和密度需要关注，这与实际电池的性能和成本密切相关；其次，有机电极材料的性能应尽可能在整个电池中进行测试，并接近实际应用条件。第三，开发商业化的含锂负极或锂化有机正极，这有利于构建类似于当前实际锂离子电池的电池系统。此外，如何以低成本大规模生产高性能有机电极材料也需要探索。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41570-020-0160-9