采用储量丰富且可回收的有机电极材料构建的有机电池，为依赖资源有限的矿物衍生无机电极材料的商业化锂离子电池，提供了可持续且环境友好的替代方案。然而，有机电极材料固有的绝缘性和溶解性问题严重阻碍了有机电池的实际应用。
在此，天津大学许运华教授和华南理工大学黄飞教授等人报道了基于n型导电聚合物聚苯并二呋喃酮（PBFDO）正极的实用化有机电池，该材料兼具优异的混合离子电子传导性能与低溶解性。PBFDO正极在整个电化学过程中保持n掺杂态，展现出稳定可逆的氧化还原特性、高电导率和显著的锂离子扩散系数，且无需额外添加导电剂。基于此，作者实现了面载量高达206 mg cm-2的超高载量聚合物正极，其面容量达42 mAh cm-2并表现出优异的循环稳定性。进一步制备的2.5 Ah锂-有机软包电池实现了255 Wh kg-1的能量密度。值得注意的是，该导电聚合物正极在-70°C至80°C宽温域内仍能高效运行，兼具卓越的柔韧性与安全性，在极端环境应用和可穿戴电子设备领域展现出巨大潜力。
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有机材料具有多样化和可设计性结构，可实现增强电化学活性和柔性等特定功能。然而，其在液态电解质中的溶解问题和低电导率严重阻碍了实际应用（图1a）。为解决溶解问题，研究者已在有机电极材料的设计与合成方面投入大量努力。有效策略之一是增大分子尺寸以抵抗液态电解质的溶剂化作用，但这种方法会导致显著聚集，可能造成活性材料反应不完全、动力学迟缓和循环性能下降。此外，有机材料固有的低电导率（通常为10-13 S cm-1至10-5 S cm-1）使得电极制备时必须掺入大量导电碳（约20–70 wt%），这导致实验室研究的有机电极面载量普遍低于3 mg cm-2，远低于商业化无机正极（约10–30 mg cm-2），造成实际应用能量密度不足（图1c）。
导电聚合物有望最大限度减少电极中导电剂的添加，从而提高能量密度。然而现有导电聚合物主要为p型，通过失去电子储存阴离子而非通过接受电子储存锂离子，这不仅限制锂离子传输，还会导致电解质大量消耗，难以满足实际需求。相比之下，n型导电聚合物中负电荷载流子（电子）可通过锂离子实现静电平衡，有望实现电子与锂离子的协同传输。但已报道的n型导电聚合物普遍存在电导率不足和电化学性能差的问题，严重限制其在锂离子电池中的应用。迄今为止，实现安时级高容量有机电池仍具挑战。
图1：高性能有机电极材料的设计策略。
本文开发了含高密度羰基的n型导电聚合物正极—聚苯并二呋喃酮（PBFDO），其羰基可作为锂离子存储的丰富活性位点。该聚合物同时具有优异的离子/电子传输性能和在液态电解质中的低溶解度（图1b），这些特性有效解决了有机正极材料的关键问题，成功实现了实用化锂-有机软包电池的制备。
图2：PBFDO有序结构与电导率表征。
图3：PBFDO正极的表征与电化学性能。
图4：实用型Li||PBFDO电池的电化学性能测试。
综上所述，本文利用n型导电聚合物PBFDO开发了实用化有机电池。该材料凭借其高度n掺杂的骨架结构，展现出卓越的混合离子-电子传输特性。其有序堆叠的微观结构，加上在整个电化学过程中维持n掺杂态的能力，构建了高效的离子和电子传输通道，从而造就了高性能正极。值得注意的是，这些有机电池能在-70°C至80°C的宽温区内高效运行，并能承受针刺测试而不起火或爆炸，凸显了其在极端条件下卓越的稳定性和安全性。此外，PBFDO正极展现出优异的柔韧性，软包电池能承受各种弯折，这预示着有机电池在可穿戴电子设备中的巨大应用潜力。这项工作为有机电池的实际应用提供了可行的解决方案和理论基础。通过进一步挖掘有机电极材料的广泛可获得性和设计多样性，预计这项发现将推动电池技术的发展。
Zhenfei Li, Haoran Tang, Yuanying Liang, Yuansheng Liu, Mengjie Li, Lanhua Ma, Hongpeng Chen, Xiaoyu Zhai, Xianbin Wei, Meng Danny Gu, Jiangwei Wang, Yining Wang, Shaohua Tong,
Qinglin Jiang, Yanhou Geng, Yuguang Ma, Yong Cao, Yunhua Xu & Fei Huang, Practical lithium–organic batteries enabled by an n-type conducting polymer, Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-026-10174-7
