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01
2018
-
03
有機電極材料應用于可充鈉離子電池
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由于豐富的資源和低廉的價格，鈉離子電池被認為是潛在的大規模儲能電池體系。相對于目前大量報道的無機電極材料，有機材料具有如下優點。首先，有機電極材料通常采用溫和的方法進行制備，反應多為室溫下或者200℃以下進行的取代反應或聚合反應等，這能夠減少在電極制備過程中的能量消耗和二氧化碳的排放；其次，大部分有機電極材料可取自天然產物或其衍生物，滿足可持續發展的需要；再者，有機電極材料是基于氧化還原中心的電荷轉移反應，能夠承受鈉離子較大的半徑。最重要的是，經過合理設計，有機正極材料的比容量可接近500安時每公斤，遠高于目前報道的無機正極材料。盡管具有以上諸多優點，有機電極材料也存在活性材料易溶于有機電解液、導電性差、電壓低等問題亟待解決。
目前用在鈉離子電池體系的有機電極材料主要基于碳氧雙鍵反應，摻雜反應以及碳氮雙鍵反應。其中基于碳氧雙鍵反應的電極材料主要包括醌類化合物，羧酸鹽化合物，酸酐以及酰胺類化合物。該類化合物容量較高，循環性能穩定，目前研究最為廣泛。基于摻雜反應的電極材料主要包括有機自由基類化合物，導電聚合物，微孔聚合物，有機金屬化合物等。其中p-摻雜反應通常由電解液中的陰離子參與，工作電位一般高于3 V。而n-摻雜反應由電解液中的陽離子參與，工作電位一般在2 V以下。基于碳氮雙鍵反應的化合物主要包括席夫堿，蝶啶類衍生物等。此類電極材料目前研究較少，工作原理還需進一步深入探索。此外，通過一系列的設計，有機電極材料的電壓，比容量，溶解性，導電性等參數都能夠合理的進行調控。例如，通過增加活性官能團在分子中所占的比例，可以提高電極材料的理論比容量。通過調整有機分子的最低未占據軌道能級的能量，材料的電壓可以有效調控。拉電子的基團可以升高材料的工作電位，而給電子基團能夠降低材料的工作電位。通過對有機分子進行聚合，可以有效地抑制電極材料在電解液當中的溶解問題。與碳材料進行復合，可以提高材料的導電性，促進電極材料倍率性能的提升。
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