從南開大學(xué)獲悉，中國科學(xué)院院士、南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授陳軍團(tuán)隊(duì)近期設(shè)計(jì)合成了一種具有超高容量的鋰離子電池有機(jī)正極材料——環(huán)己六酮，該材料包含地球豐富的碳、氫、氧元素，且此類有機(jī)正極材料展現(xiàn)了鋰離子電池目前所報(bào)道的最高容量值，刷新了鋰離子電池有機(jī)正極材料容量的世界紀(jì)錄。
相關(guān)成果發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》。南開大學(xué)為唯一單位，第一作者為博士生盧勇，通訊作者為陳軍。
鋰離子電池目前廣泛應(yīng)用于各類便攜式電子設(shè)備，并有望在電動汽車和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。高容量、可再生、綠色環(huán)保、低成本的鋰電池正極材料已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。含有碳、氫、氧等元素的有機(jī)電極材料因其結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性、對環(huán)境友好和廉價(jià)豐富等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是非常具有發(fā)展前景的下一代鋰離子電池正極材料。然而，該類材料仍面臨著實(shí)際容量不高（< 600 mA h g-1）和易溶于有機(jī)電解液等問題，導(dǎo)致其能量密度較低并且容量衰減比較嚴(yán)重。因此，如何設(shè)計(jì)合成具有超高容量的有機(jī)正極材料并解決其在電解液中的溶解問題具有非常重要的意義。
近期，南開大學(xué)的陳軍院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成并研究了一種具有超高容量的鋰離子電池正極材料——環(huán)己六酮。通過分子設(shè)計(jì)可知（圖1a-c），在眾多有機(jī)羰基正極材料中，只由羰基構(gòu)成的環(huán)酮材料由于不存在任何非電化學(xué)活性的結(jié)構(gòu)單元，因而體現(xiàn)目前的最高理論比容量（957 mA h g-1）。
首先，研究人員通過脫水反應(yīng)合成了環(huán)己六酮（圖1d）。通過紅外和拉曼等表征手段研究了環(huán)己六酮的反應(yīng)機(jī)理，結(jié)果表明在充放電過程中發(fā)生了羰基和烯醇基團(tuán)的相互轉(zhuǎn)化。而且進(jìn)一步利用密度泛函理論計(jì)算了環(huán)己六酮脫嵌鋰的反應(yīng)過程（圖2）。接著研究了環(huán)己六酮在鋰離子電池中的電化學(xué)性能，結(jié)果表明環(huán)己六酮的放電比容量可達(dá)902 mA h g-1，平均放電平臺在1.7 V左右。此外，由于環(huán)己六酮在高極性的離子液體中的溶解度較低，使得其在離子液體基的電解液中具有較好的循環(huán)性能。該工作為高容量有機(jī)電極材料的設(shè)計(jì)、制備以及電池應(yīng)用提供了一種新的思路。
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