骆超教授最新EES综述：开发用于多价可充电电池的有机电极材料的最新进展- 大数跨境

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骆超教授最新EES综述：开发用于多价可充电电池的有机电极材料的最新进展

科学材料站

2020-10-03

导读：该工作概述和评论了OEMs在多价可充电电池 (MRBs) 中的研究进展，包括非水性可充电Mg / Al / Zn和水性可充电Mg / Al / Zn / Ca电池。详细讨论了MRBs中OEMs的优势，

文章信息

开发用于多价可充电电池的有机电极材料的最新进展

First published: September 28, 2020

第一作者：秦凯强

通讯作者：骆超*

单位：乔治梅森大学

研究背景

凭借轻巧，丰富，低成本，高可持续性和可回收性的优势，有机电极材料（OEMs）成为用于各种可充电电池系统的高性能通用电化学活性材料。OEMs由C，H，O，N和S等高储量的轻元素组成，具有丰富的结构多样性和可调谐性，为开发高性能的可充电电池提供了机会。

与无机电极材料不同，OEMs的电化学性能取决于活性官能团，而不是晶体结构。OEMs多样的分子结构和通用的电化学性能使其在锂离子电池（LIBs）及其它二次电池中具有令人鼓舞的电化学性能。

文章简介

近日，乔治梅森大学骆超教授等合作。在国际顶级期刊Energy & Environmental Science (影响因子：33.25) 上发表题为“Recent Advances in Developing Organic Electrode Materials for Multivalent Rechargeable Batteries”的研究综述。

该工作概述和评论了OEMs在多价可充电电池 (MRBs) 中的研究进展，包括非水性可充电Mg / Al / Zn和水性可充电Mg / Al / Zn / Ca电池。详细讨论了MRBs中OEMs的优势，挑战，发展，机制，结构和性能。

导师专访

该领域目前存在的问题？这篇文章的重点、亮点。

目前，锂离子电池和铅酸电池在能源存储领域占据主导地位，但随着可再生能源和大规模固定型能源储存的发展，低成本和可持续的多价电池受到大家的广泛关注。

由于高电荷密度的多价离子在晶体结构中的扩散速率慢，传统的无机电极材料在多价电池中没有表现出优异的电化学性能，而具有结构多样性和可调性的有机电极材料为多价电池的发展提供了新的机遇。

本综述系统的总结了各种有机电极材料在非水系和水系多价电池中的研究近况，并讨论了有机电极材料在多价电池中的反应机理，以及有机分子结构与电化学行为之间的关系，为今后应用于多价电池中的有机电极材料的结构设计和性能优化提供了指导。

骆超助理教授

本文要点

要点一：为了阐明MRBs中高级OEMs的发展，本文详细总结并讨论了分子结构与电化学行为之间的相关性。同时，本篇综述为MRBs中OEMs的合理结构设计和性能优化提供了见解。

要点二：本文总结了用于非水系和水系MRBs中有希望的电解质，以指导该领域的其他研究人员，同时指出水系MRBs中的电解质比非水系MRBs中的电解质更具成本效益。

要点三：最后，本文对有机MRBs的当前科学研究和实际应用进行了展望。

第一作者专访

该研究的设计思路和灵感来源

锂离子电池自三十年前上市以来，凭借其高能量密度和长使用寿命的优点受到了工业界和学术界的广泛关注。目前，锂离子电池和铅酸电池主导了储能器件的市场，包括消费类电子产品、动力汽车、无间断电源、电信系统以及可再生能源领域，但锂源的不均匀分布以及铅/氧化铅的高毒性制约了锂离子电池和铅酸电池的进一步发展。

人们迫切需要一种高安全性、低成本以及环境友好的储能器件。如今，多价电池以其低成本及原材料储量丰富的优势，成为锂离子电池和铅酸电池理想的替代产品。

在多价电池领域，诸如镁、铝、锌、钙等无毒性多价金属在充放电过程中具有很高的稳定性和比容量，同时储量丰富、价格低廉，使其成为低成本、环境友好型储能器件理想的负极材料。

虽然无机电极材料在锂离子电池中被广泛使用并展现出优异的电化学性能，但多价阳离子具有很高电荷密度，其在无机材料晶格内的扩散受到极大的限制，从而导致无机电极材料在多价电池中的性能较差。相较于无机电极材料，有机电极材料具有轻质、大储量、低成本、高可持续性、高可回收性以及高可调控性的优势，使其成为多价电池通用的高性能电极材料。

同时，与无机电极材料不同的是，有机电极材料的电化学性能主要依靠其中的活性官能团而非晶体结构，纷繁多样的分子结构和官能团恰如其分的满足了多价电池对电极材料的各样需求。作为普适的电极材料，有机电极材料可用于所有种类的多价电池，并且具有高容量、高倍率性能以及长使用寿命的优点。

为了进一步推进有机电极材料的发展，实现安全、经济的储能设备的目标，从根本上对多价电池中反应机理以及结构/性能相关性的研究显得尤为重要。受此启发，本文不仅综述了目前用于多价电池的有机电极材料的研究进展，同时也通过分析化学/物理结构和电池性能之间的关系，为多价电池所用有机电极材料合理的结构设计提供了一定的见解。我们详细综述了有机电极材料在非水系镁/铝/锌离子电池以及水系镁/铝/锌/钙离子电池领域的应用，探讨了每个储能器件领域的机遇和挑战。

导师专访

您对该领域的今后研究的指导意见和展望

低成本，可持续，高性能的有机小分子和聚合物是多价电池的理想电极材料。研究人员已投入大量精力探索各种不同结构的有机材料在多价电池中的应用，但仍缺乏对有机材料反应机理和结构设计原理的系统性研究，以及对与有机材料相匹配的电解液体系的研究。

本综述系统性的总结了有机材料在多价电池中的的优势，挑战，机理，结构和性能，并提出了解决有机材料低导电性，易溶解，和提高电压和容量的合理方案，为有机电极材料在多价电池中的研究和发展铺平了道路。

文章链接

Recent Advances in Developing Organic Electrode Materials for Multivalent Rechargeable Batteries

https://doi.org/10.1039/D0EE02111C

通讯作者介绍

骆超美国乔治梅森大学助理教授，博士生导师。

曾在美国马里兰大学王春生教授团队从事博士研究生和博士后研究员工作。研究内容主要包括有机电极材料在锂离子，钠离子，钾离子，多价金属电池，全固态电池，与硫正极材料的设计研究。迄今为止，以第一作者及通讯作者身份在PNAS, Chem, Adv. Mater., Angew. Chem., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Energy Lett., ACS nano, Nano Lett., Nano Energy等国际权威期刊上发表学术论文50余篇。论文总被引用次数超过5000, H因子为39。研究成果先后被MaterialsViews China, ChemistryViews, Phys.org, The Graphene Council等国际、国内知名媒体报道。目前主持美国国家自然科学基金项目1项。

现担任Chinese Chemical Letters (Elsevier出版集团, IF = 4.632)青年编委，国际期刊Frontiers in Energy Research的特邀编辑。

第一作者介绍