Adv. Sci. 构建一种异靛蓝衍生物的同分异构体有机小分子作为正极以实现可充电锂电池的长循环寿命

第一作者（含共一）：杨明聪，胡伟

通讯作者：李俊*，金辉乐*

单位：温州大学，温州大学

过去三十年中，基于无机正极材料的锂离子电池（LIBs）已取得显著成功。然而，无机正极的规模化发展严重受限于合成过程的高能耗和后续环境问题。相比之下，有机电极材料被视为绿色可持续电化学储能的潜在替代方案，具有可设计的理论容量、低成本效益、环保等特点。然而，有机正极材料在充放电循环中面临严重的溶解问题，导致容量衰减，循环稳定性恶化。本研究聚焦于有机小分子(E)-5,5'-二氟-[3,3'-联吲哚基]-2,2'-二酮（EFID）及其异构体FBND作为LIBs正极材料的可持续储能探索。令人惊讶的是，FBND在LIBs中表现出高容量（175 mAh/g）和优秀的循环稳定性（2000圈且90%的保持率），这主要是由于FBDN中大π共轭体系的分子设计有效解决了有机正极材料在有机电解液中的高溶解性问题；同时，本文还系统研究了FBND在LIBs中作为负极材料和在SIBs中作为正极材料的储能性能研究。这项研究为今后高比能、大倍率、长循环的绿色可持续锂电有机正极材料设计提供了一种分子设计模型和思路。

近日，来自温州大学的金辉乐研究员、李俊教授课题组博士后杨明聪与研究生胡伟作为共同一作在国际知名期刊advanced science上发表题为“Long Cycle Life for Rechargeable Lithium Battery using Organic Small Molecule Dihydrodibenzo[c,h][2,6]naphthyridine-5,11-dione as a Cathode after Isoindigo Pigment Isomerization”的文章。该文章首次提出了EFID及其异构体FBND可作为绿色可持续锂电的正极电极材料，系统研究了大容量、高稳定的电化学储能机制。研究结果为今后开发高结构稳定性的小分子有机正极材料提供了新的分子设计思路。

本文采用异靛蓝衍生物EFID通过热重排反应成功构建了异靛蓝衍生物的同分异构体FBND。与EFID相比，FBND不仅具有酰亚胺结构而且还有更大的π共轭体系。因此，有效地解决了有机正极材料在有机电解质中的高溶解性，从而提高了FBND做正极材料的电化学循环稳定性。

FBND做正极在锂电池中展现了显著的电化学特性，包括0.05 A/g电流密度下高容量表现（175 mAh/g）和0.2 A/g电流下表现较好的倍率性能（90 mAh/g），以及在2000圈循环周期内的可观地循环稳定性（保持率90%）。研究不仅探讨了FBND在锂离子电池中作为负极的可行性（首圈放电1500 mAh/g），同时也探究了在钠离子电池中作为正极的可行性，FBND在0.1 A/g电流密度下展现出良好的正极容量（在200次循环中保持稳定容量110 mAh/g）

通过非原位红外FTIR测试和密度泛函理论（DFT）计算结合，对FBND正极在放电/充电过程中的多步电化学氧化还原机制进行验证，从而证实了其在化学储能过程中的可行性。总体而言，这项研究提出了一种简单而有效的策略，通过对EFID异构化后得到FBND框架，成功地克服了有机小分子电极在有机电解质中的溶解性问题，从而得到高电化学循环稳定性，为今后开发高稳定性的小分子有机正极材料的设计提供了新的思路。

Long Cycle Life for Rechargeable Lithium Battery using Organic Small Molecule Dihydrodibenzo[c,h][2,6]naphthyridine-5,11-dione as a Cathode after Isoindigo Pigment Isomerization

金辉乐 研究员简介：博士生导师，俄罗斯自然科学院外籍院士，浙江省“万人计划”青年拔尖人才，担任温州大学化学与材料工程学院副院长、温州大学新材料与产业技术研究院院长、浙江省皮革工程实验室主任和浙江省国际联合实验室主任，连续入选斯坦福大学公布的2022/2023年全球前2%顶尖科学家榜单。长期致力碳基纳米结构材料和含氟材料的设计合成、结构调控及应用的基础研究与产业化开发工作。主持4项国家自然科学基金项目、10多项企业产业化研发项目(约1000万)，在国际一流刊物包括Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angw. Chem. Int. Ed.等发表学术论文150余篇。获得美国授权1项，授权发明专利100多项。担任Wiley出版集团国际学术期刊《Carbon Energy》执行编辑和《Frontiers in Chemistry》编委，全国文具运动器材标准化技术委员会委员和全国塑料制品标准化技术委员会聚氨酯制品标准化工作组委员等。获评 第十四届中国商业联合会服务业科技创新一等奖，中国石油和化学工业联合会“科技进步奖-二等奖、中国发明协会第十二届发明创业奖-人物奖、俄罗斯联邦科技与高等教育部“教育功绩劳动奖章”、“全国石油和化工优秀科技工作者”等。

李俊 教授简介：硕士生/博士生导师，2013年博士毕业于加拿大温莎大学，2019年12月温州大学化学与材料工程学院从事教学科研工作，2013年至2019年先后在四川大学任教、加拿大温莎大学访学。长期致力于非线性化学反应动力学调控合成纳米材料及其能源应用研究。曾获国家公派留学基金1项，近年来，主持2项国家自然科学基金项目。发表SCI学术论文70多篇，其中以第一/通讯作者发表影响因子>10 的论文7篇，包括Angew. Chem. Int. Ed.(2篇)、Adv.Mater.(1篇)、Adv.Energy Mater.(1篇)、Nano Energy (2 篇)、 Energy Storage Mater.（1篇）。多项研究成果被全球科技媒体如Material View、X-mol等报道，并应邀为Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等撰写综述论文。多次应邀在国际和国内会议、高校等邀请报告。获授权中国发明专利30余项。

杨明聪 简介: 2020年博士毕业于东京工业大学电气电子系从事有机半导体设计合成及电荷传输机制的研究，随后在东京工业大学未来产业技术研究所从事有机单分子膜材料的设计合成及界面功函数调节的博士后研究。2021年加入温州大学金辉乐教授课题组从事有机电极材料设计合成及储能研究的博士后研究工作。长期从事有机半导体设计合成及电荷传输研究以及有机电极材料设计合成及储能的研究。

胡伟 简介：温州大学金辉乐课题组在读硕士研究生，从事二维材料以及碳材料的三维导电结构构建、与有机电极材料复合做电极储能的研究。

课题组以“碳+新能源”为总体研究方向，聚焦★碳基催化材料（ORR、OER、HER、NRR、CO2RR、非均相有机合成）；★碳基储能材料（超级电容器、锂/钠/钾二次电池电极材料）；★含氟半导体材料；★人工智能；★原位表征等研究方向。近年来承担了包括国家重点科技研发计划、国家自然科学基金、海外及港澳学者研究基金、浙江省自然科学基金（重点）等40余项目。相关研究成果已在Nature Sustainability、Nat. Commun.、 J. Am. Chem. Soc.、 Angew. Chem. Int. Ed.、 Chem. Soc. Rev.、 Adv. Mater.、 Adv. Energy Mater.、 Nano Energy以及Energy Storage Mater.等期刊发表SCI论文200余篇。申请发明专利220多项，其中PCT专利2项，已获授权100多项。

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