北京理工大学姚长江课题组综述：双离子电池有机阴极的最新进展

双离子电池（Dual-Ion Batteries，DIBs）是一种独特的电化学储能设备，其工作原理与传统的锂离子电池有所不同。在DIBs中，电池的充放电过程不仅涉及阳离子（通常是金属离子）的嵌入和脱嵌，还涉及阴离子（如PF₆^-、ClO₄^-或其他阴离子）的嵌入和脱嵌。这种电池的设计允许在正极和负极材料中同时进行阳离子和阴离子的存储，从而提高了电池的能量密度和工作电压,为进一步降低化学储能成本带来了巨大希望。

目前，双离子电池的正极材料主要分为无机电极和有机电极。然而，无机正极的电位通常高于4.5 V（vs. Li⁺/Li），这超出了常规电解质的电化学稳定性窗口。同时，大量的阴离子插入/脱出不利于无机材料的稳定性，除此之外，重金属掺杂对环境也将造成污染。有机电极材料则由轻质元素组成，设计灵活、结构柔韧，加以键合型的电荷存储机制，为双离子电池设计和应用提供了更多的可能。

近日，北京理工大学姚长江课题组发表了综述文章Recent Advances in Organic Cathodes for Dual-Ion Batteries，对双离子电池有机正极材料进行了全面总结。文章深入剖析了不同反应活性位点的有机正极材料的储能机制与特征，包括氮氧化还原中心、硫氧化还原中心、金属有机化合物、自由基和多环芳烃等。文章重点指出了各类有机材料在电化学性能上的不足，并提出了针对性的改进策略。在双离子电池设计中，活性基团的有效调控和侧链修饰可以精确调节工作电压；探索双极型材料中容量和电压之间平衡关系是提升电池的能量密度有效策略。针对有机材料溶解，聚合是趋向。电化学原位聚合不仅可提高活性位点的利用率，还能够增强与导电碳的结合，为电池容量和循环稳定性提供了双重保障，是未来研究的重要一环。除此之外，在双离子电池体系中，阴离子的离子溶剂化半径较小，动力学特性优良，而阳离子的反应动力学较成为电池性能的决定环节，改善阳离子可逆过程的反应动力学对于高性能双离子电池的发展具有重要意义。

简而言之，有机双离子电池在能源应用中具有很大的潜力，但它们仍处于开发的早期阶段，需要克服许多科学障碍。然而，随着对新型能源储存技术的不断探索，有机双离子电池为未来能源领域提供了理论指导，有望解决现有能源系统中存在的诸多挑战，从而推动清洁能源的发展与应用。

图1. 双离子电池的放电机理及代表性有机正极材料

论文第一作者为北京理工大学机电学院硕士研究生胡文莉和博士研究生张卫生，通讯作者为北京理工大学姚长江教授和梅仕林研究员。详见：W. Hu, W. Zhang, C. Zhang, C. Li, S. Mei, C.-J. Yao. Recent Advances in Organic Cathodes for Dual-Ion Batteries. Sci. China. Chem., 2024, doi/10.1007/s11426-023-1969-3. 该文将收录于2024 Emerging Investigator Issue.

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【通讯作者简介】

姚长江，北京理工大学机电学院教授，博士生导师。2013年于中国科学院化学研究所获博士学位，2014-2019年先后在德国雷根斯堡大学、德国维尔兹堡大学、新加坡南洋理工大学从事科学研究。长期从事有机/高分子功能材料的结构设计、合成及其在光电和储能等领域的应用研究，近年来在 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等国际专业期刊发表SCI论文70多篇。获得包括国家级高层次青年人才、德国洪堡学者、中科院院长优秀奖等多项奖励。

梅仕林，北京理工大学机电学院研究员，博士生导师。2017年于德国柏林洪堡大学获博士学位。主要从事电化学储能材料，高分子自组装功能材料的研究，近年来在国际主流期刊发表SCI 学术论文40余篇。主持国家青年人才项目、国家自然科学基金青年项目，参与完成多项德国自然科学基金和中德联合项目。

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