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網(wǎng)站首頁(yè)/有機(jī)動(dòng)態(tài)/有機(jī)試劑/Nature Materials：共軛磺酰胺類(lèi)有機(jī)鋰離子正極

有機(jī)動(dòng)態(tài)

有機(jī)前沿

有機(jī)干貨

實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

有機(jī)試劑

化學(xué)試劑

鄰苯二甲酸雙(2-甲氧基)乙酯-D4_CAS：1398066-12-0
1g ￥21000.00
鄰苯二甲酸二(2-丁氧基)乙酯-D4_CAS：1398065-96-7
500mg ￥12750.00
DPP-5_CAS:2166554-19-2
10mg ￥6800.00
丁酰輔酶A_butanoyl Coenzyme A_CAS:2140-48-9
5mg ￥1800.00
β-羥基丁酰色氨酸_β-hydroxybutyryl-tryptophan_CAS:2227208-85-5
50mg ￥3950.00

新材料產(chǎn)品

Nature Materials：共軛磺酰胺類(lèi)有機(jī)鋰離子正極

【背景介紹】

自有機(jī)正極電池材料被報(bào)道以來(lái)，由于有機(jī)化合物具有易合成、結(jié)構(gòu)多樣等優(yōu)點(diǎn)，極具發(fā)展?jié)摿?，但是其存在的安全性?wèn)題，嚴(yán)重阻礙了其發(fā)展。在過(guò)去幾十年里，研究者提出了各種有機(jī)化合物作為電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用的電極材料。然而，這些化學(xué)物質(zhì)中符合鋰離子電池（LIBs）實(shí)際要求的并不多。要么是基于p-型系統(tǒng)，要么是基于在充電狀態(tài)下制備和處理的n-型系統(tǒng)，它們適合于鋰（Li）金屬而不是LIBs。由于這些化學(xué)物質(zhì)的高共價(jià)性和電荷局部化，鋰化n-型材料的挑戰(zhàn)來(lái)自于痕量水分的快速水解或空氣中分子氧的氧化，這是有機(jī)電池領(lǐng)域迫切需要解決的一個(gè)問(wèn)題。目前，幾乎沒(méi)有有機(jī)鋰離子正極（n-型、含鋰和空氣穩(wěn)定）的最新技術(shù)。此外，已報(bào)道的化學(xué)方法仍然依賴(lài)于烯醇式羰基氧化還原化學(xué)，其本質(zhì)上是在低氧化還原電勢(shì)下運(yùn)行，使其結(jié)構(gòu)和成分的多樣性仍然受到限制。因此，必須設(shè)計(jì)出滿足鋰離子正極材料要求的化學(xué)物質(zhì)，才能滿足有機(jī)電池領(lǐng)域中不斷提高的性能需求。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，比利時(shí)魯汶大學(xué)Alexandru Vlad（通訊作者）等人報(bào)道了一類(lèi)新型的共軛磺酰胺（CSAs）有機(jī)化合物，其擴(kuò)展了有機(jī)鋰離子正極材料的化學(xué)空間。同時(shí)，在環(huán)境空氣中處理時(shí)，磺?；系碾娮与x域使所得CSAs具有固有的抗氧化性和抗水解性，并且還顯示出可逆的電化學(xué)電荷存儲(chǔ)。未覆蓋的CSA化學(xué)物質(zhì)的形式氧化還原電勢(shì)在2.85 V至3.45 V之間（相對(duì)于Li⁺/Li⁰而言），可通過(guò)靜電或感應(yīng)分子設(shè)計(jì)進(jìn)行微調(diào)?？傊?，這類(lèi)有機(jī)鋰離子正電極材料挑戰(zhàn)了無(wú)機(jī)電池正極的領(lǐng)域，因?yàn)檫@第一代CSA化學(xué)物質(zhì)已顯示出與定型LiFePO₄相當(dāng)?shù)闹亓績(jī)?chǔ)能指標(biāo)。研究成果以題為“Conjugated sulfonamides as a class of organic lithium-ion positive electrodes”發(fā)布在國(guó)際著名期刊Nature Materials上。

【圖文解讀】

圖一、LIBs與LMBs的工作原理對(duì)正極化學(xué)的影響以及設(shè)計(jì)CSA的分子原理

（a）鋰離子技術(shù)依賴(lài)于對(duì)環(huán)境空氣本質(zhì)上穩(wěn)定的鋰儲(chǔ)層正極和無(wú)鋰負(fù)極材料；

（b）無(wú)鋰的正極材料需要儲(chǔ)鋰的負(fù)極；

（c）CSA-Li離子正極材料的分子設(shè)計(jì)結(jié)合了亞苯基-二（聚）-胺的可逆氧化還原與磺酰胺官能團(tuán)；

（d）該工作中合成和測(cè)試的CSA主要材料。

圖二、氧化還原機(jī)理分析

（a）在二鋰1, 4-亞苯基雙（（甲磺?；０罚┲锌赡娴膬呻娮友趸€原過(guò)程的示意圖；

（b）O_x-p-PDSA和Li₂-p-PDSA的循環(huán)伏安掃描曲線圖；

（c-d）比較分析Li₂-p-PDSA和O_x-p-PDSA的¹H NMR和傅里葉變換紅外光譜。

圖三、開(kāi)發(fā)的CSA材料庫(kù)的電化學(xué)

（a-c）異構(gòu)效應(yīng)、其他磺酰胺基團(tuán)的影響和取代基電子效應(yīng)。上排：循環(huán)伏安圖，在2 mM的活性CSA、0.1 M LiCl在DMSO中，Pt圓盤(pán)工作電極的濃度為100 mV s^-1時(shí)測(cè)得；下排：在固相中以5 h或C/10中一個(gè)Li⁺（e^-）的速率在固相中測(cè)得CSA的第一周期恒定電流電位分布圖。

圖四、芳香族UV-vis吸收帶與氧化還原電位之間的相關(guān)性

圖五、所選CSA化合物的電荷存儲(chǔ)性能

（a-d）Li₂-p-PDSA和Li4-PTtSA電極在1Li⁺/5 h的循環(huán)速率下的電勢(shì)組成曲線和相應(yīng)的容量保持率；

（e）以2Li⁺/1 h的循環(huán)速率下獲得的2 mg cm^-2 Li₄-PTtSA/Li電池低質(zhì)量負(fù)載的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性；

（f）比較Li半電池中的LiFePO₄和Li₂-DC-PDSA電極在第一循環(huán)時(shí)的充放電曲線；

（g）在所研究CSA材料水平上的電荷存儲(chǔ)指標(biāo)突出了有機(jī)正鋰離子材料的豐富，顯示了LiFePO₄和已報(bào)道的空氣穩(wěn)定有機(jī)鋰離子正極進(jìn)行比較。

圖六、基于CSA的有機(jī)鋰離子全電池原型

（a）使用Li₄-PTtSA作為代表性CSA正極材料，Li₄Ti₅O₁₂、2, 6-萘二甲酸二鋰、偶氮苯-4, 4'-二羧酸鋰鹽和石墨作為負(fù)極材料分別構(gòu)建CSA-LION_1、CSA-LION_2、CSA-LION_3和CSA-LION_4原型電池的原理圖和氧化還原過(guò)程；

（b）相應(yīng)滿電池的充放電曲線；

（c）具有更高質(zhì)量負(fù)載（7 μg/cm² Li₄-PTtSA）的性能優(yōu)化的CSA-LION_1電池提高了倍率能力，并提高了2 C時(shí)的循環(huán)穩(wěn)定性。

【小結(jié)】

綜上所述，作者證明了設(shè)計(jì)的CSA在重量能量密度方面是具有高性能的材料。此外，考慮到可持續(xù)性、環(huán)境影響和原材料供應(yīng)等方面，空氣穩(wěn)定性、簡(jiǎn)單的合成和加工工藝以及安全和廉價(jià)的處理方式以及豐富的元素使其與無(wú)機(jī)正極具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。目前，在有機(jī)電池材料領(lǐng)域中提出的策略也可以應(yīng)用于CSA化學(xué)領(lǐng)域，例如表面固定化、高分子和聚合物系統(tǒng)以及多孔共價(jià)或配位框架。此處揭示的化學(xué)物質(zhì)以及該類(lèi)別中還將開(kāi)發(fā)的其他化學(xué)物質(zhì)，有可能進(jìn)一步擴(kuò)展相鄰的有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的范圍。通過(guò)這項(xiàng)工作，作者為金屬離子有機(jī)電池領(lǐng)域及其他領(lǐng)域開(kāi)辟了道路，并為未來(lái)的能源指標(biāo)提供了指導(dǎo)，以朝著實(shí)際實(shí)施的方向發(fā)展。同時(shí)，此類(lèi)材料提供了許多化學(xué)和結(jié)構(gòu)修飾的可能性，以進(jìn)一步增加氧化還原電勢(shì)以及存儲(chǔ)容量，并改善循環(huán)性能尋求實(shí)用的高能有機(jī)電池的穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)鏈接：

Conjugated sulfonamides as a class of organic lithium-ion positive electrodes. Nature Materials, 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-00869-1.

化學(xué)試劑