英文原题：Isometric Thionated Naphthalene Diimides As Organic Cathodes for High Capacity Lithium Batteries
通讯作者：何刚，西安交通大学
作者：Bingjie Zhang, Yueyan Zhang, Xiaodong Yang, Guoping Li, Sikun Zhang, Yanfeng Zhang, Demei Yu, Zishun Liu, and Gang He
锂离子电池（LIBs）作为便携式电子产品和电动汽车中的主要储能设备，受到了学术界和行业的广泛关注。作为LIBs的核心组件，电极材料决定了锂离子电池的性能。与商业化的无机电极材料相比，有机电极材料具有原料丰富、资源可再生、分子设计灵活以及比容量高的优势，在下一代储能装备中具有巨大的发展潜力。目前常见的有机电极材料可分为以下几类：导电聚合物、有机二硫化合物、稳定的N-O自由基化合物以及共轭羰基化合物等。在这些类型的电极材料中，共轭羰基类材料由于其结构多样、比容量高、电化学反应动力学快、成本低等特点受到广泛的关注。其中，萘酰亚胺作为典型共轭羰基材料，具有大共轭骨架、多位点修饰等特点，被广泛应用于光电器件和电池材料中。虽然萘酰亚胺等材料，如聚萘酰亚胺、环状萘酰亚胺等材料已经被成功应用于有机锂离子电池正极材料，但其性能还有极大的提升空间。
西安交通大学何刚教授研究团队针对萘酰亚胺电极材料性能提升的关键科学问题，通过将萘酰亚胺中的两个氧原子替换为硫原子，设计制备了具有顺反异构的含硫萘酰亚胺衍生物（cis-2S和trans-2S），并深入研究了其作为锂电池正极电极材料的性能。
图1.（a）硫化P-NDI反应生成trans-2S和cis-2S。（b）trans-2S和cis-2S的电化学嵌锂和脱锂的机理。
通过对材料的物理性质表征和电化学半电池测试，发现含硫萘酰亚胺材料（cis-2S和trans-2S）比不含硫的P-NDI具有更高的导电率（高出两个数量级）、充放电电压（＞256 mV）和循环保持率。另外，而通过调节硫原子的位置，cis-2S比trans-2S具有更高的平台电压，并且在循环400圈后，cis-2S的比容量是trans-2S两倍。
图2. 电极的电化学性能（a）第二圈的充放电曲线。（b）P-NDI，trans-2S和cis-2S第二圈的dQ/dV-电压曲线。（c）电流密度50 mA g-1下P-NDI，trans-2S和cis-2S的循环稳定性和（d）倍率性能。
原位拉曼光谱（in situ Raman）、充放电前后的X射线光电子能谱（XPS）和第一性原理（DFT）的研究结果表明cis-2S具有多个可能的嵌锂位点，使得cis-2S具有更高的平台电压和呈坡度的放电曲线，因而cis-2S电极材料表现出更高的比容量。另外，在cis-2S结构中，电负性较强的氧原子位于分子同侧，更强的拉电子作用降低了分子中C=S位点的电子云密度，进一步提高了其作为正极材料的电压。这一研究表明将硫原子引入，并调控其位置可以极大提高有机电极材料的性能，这也为开发高性能有机正极电极材料提供了新的策略。
图3.（a和b）分别代表trans-2S和cis-2S在50 mA g-1的充放电曲线。（c和d）对应trans-2S和cis-2S在充放电过程中的原位拉曼光谱。trans-2S和cis-2S正极的XPS分析：（e）trans-2S的S 2p光谱（黄色峰）和O 1s光谱（粉红色峰）的XPS。（f）cis-2S的XPS的S 2p光谱（黄色峰）和O 1s光谱（粉红色峰）。（g和h）分别记录trans-2S和cis-2S电极的非原位XRD图谱，以及原始trans-2S和cis-2S的拟合XRD图谱。
相关论文发表在Chemistry of Materials 上，西安交通大学博士研究生张冰洁和博士后张越巘为文章的第一作者，何刚教授为通讯作者。
Isometric Thionated Naphthalene Diimides As Organic Cathodes for High Capacity Lithium Batteries
Bingjie Zhang, Yueyan Zhang, Xiaodong Yang, Guoping Li, Sikun Zhang, Yanfeng Zhang, Demei Yu, Zishun Liu, Gang He*
Chem. Mater., 2020, 32, 10575–10583, DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c03661
Publication Date: December 2, 2020
Copyright © 2020 American Chemical Society
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