阿德莱德大学乔世璋院士课题组JACS：超低温有机-钠离子电池！

第一作者：许新

通讯作者：乔世璋

通讯单位：阿德莱德大学

超低温度条件下（< -40摄氏度），传统电池难以提供可靠的高效能源。有机电池因自然丰富、低成本、柔性分子结构和快速动力学响应使其成为潜在替代品。有机电极材料的电化学性能与氧化还原活性官能团相关，但活性中间体往往稳定性差，导致循环过程中活性物损失，容量快速衰减。为确保长期稳定工作，研究者提出诸多策略。然而，对于小分子电极材料，中间体相溶解导致的“穿梭效应”问题依旧未能很好解决。在这一问题上寻找新的有效途径，将推动有机电池技术在极端条件下的应用。

近日，阿德莱德大学乔世璋院士课题组，在国际知名期刊Journal of American Chemical Society上发表题为“Establishing Exceptional Durability in Ultralow-Temperature Organic-Sodium Batteries via Stabilized Multiphase Conversions”的文章。该文章首次报道通过稳定的多相（固-液-固）环己烯二醇四酮二钠（分子式Na₂C₆O₆，DSR) 转化，以实现超低温钠离子电池的快速动力学和超长稳定循环。

图1.稳定的多相（固-液-固）转换，实现有机-钠离子电池超低温长循环。图片来源：J. Am. Chem. Soc. (DOI: 10.1021/jacs.3c11931)

通过原位Raman光谱研究，揭示了DSR在钠离子电池反应中的固-液-固转化反应。使用循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱分析（EIS），研究了纳米尺寸的DSR和π共轭的单层氧化石墨烯复合物（nDSR*π）的液相反应动力学。结果显示，nDSR*π在液相反应中相对单纯nDSR有更低的反应活化能（Ea）。因此，nDSR*π在极低温度下表现出更快的液相反应动力学，为电池在超低温环境中性能提升提供了基础。

研究采用原位傅里叶变换红外光谱（FTIR）和同步辐射X射线吸收光谱（XAS）进行分子和原子结构分析。结果表明，引入氧化石墨烯通过π-π相互作用实现分子间的快速电子转移，以调节nDSR*π的分子结构稳定性，并有效抑制反应中间体和电解液间的副反应，极大提高电极材料电化学循环稳定性。

设计的nDSR*π复合电极，具有优异的超低温储钠性能。全电池在-40摄氏度表现出高达192 mAh g^-1的初始容量，1000个循环后仍保持138 mAh g^-1。此外，该全电池在高电流密度300 mA g^-1下，超过7000圈循环后，仍可保持101 mAh g^-1的容量。软包电池在-50摄氏度下可持续点亮LED灯，显示了其在实际应用中的巨大潜力。

Establishing Exceptional Durability in Ultralow-Temperature Organic-Sodium Batteries via Stabilized Multiphase Conversions

乔世璋院士，现任澳大利亚阿德莱德大学化工学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心（Centre for Materials in Energy and Catalysis）主任，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电催化、电池、光催化等。作为通讯联系人，在 Nature、Nature Energy、Nature Nonotechnology、Nature Communications、Science Advances、Journal of American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials 等国际顶级期刊发表学术论文超过530篇，引用超过121,450次，h指数为178。

乔世璋教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括2023年澳大利亚研究理事会工业界桂冠学者（ARC Australian Industry Laureate Fellow）， 2021年南澳年度科学家奖、2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）、2016年埃克森美孚奖、2013年美国化学学会能源与燃料部新兴研究者奖以及澳大利亚研究理事会杰出研究者奖（DORA）。

乔教授是澳大利亚科学院院士、国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志EES Catalysis的主编，也是科睿唯安（Clarivate Analytics）/ 汤姆森路透（Thomson Reuters）化学、材料科学和环境与生态三个领域的高被引科学家。