基于非对称反应机制设计的全有机电池研究

The project is aimed at all-organic battery. Using the non-symmetrical design and the cathode/anode with different redox mechanism, such as doping and electron delocalization, we can build a totally new, all-organic battery system. Different form typical non-aqueous battery (such as Li-ion battery), due to the non-intercalation mechanism and insignificant volume change during the charge/discharge of the organic electrode material, the all-organic battery is free from the battery degradation originated from the ion-diffusion within crystallite as well as the electrode volume variation. On the other hand, the all-organic design helps to build a metal-free battery with better SEI property, in which the organic material can well show its advantage in fast kinetics and cycling stability. In addition, the non-symmetrical design of the battery can better utilize the active material, lead to better cycling stability and higher energy efficiency. Basing on the comprehensive investigation on the organic cathode/anode, compatible electrolyte, the deep understanding of the electrochemical behavior, detailed redox process of the electrodes as well as the interaction between electrolyte and organic cathode/anode can be realized. All these helps to build a new, all organic battery with excellent cycling life and decent capacity/rate performance.

本项目拟以全有机电池为研究对象，利用非对称设计，选择具有不同反应机制的有机物作为正、负极材料，利用有机物的掺杂或电子离域形成相关的氧化还原电对，构建全有机电池体系。这种全新的电池体系，由于采用具有非嵌入机制且充放电过程中体积效应低的有机材料，可以免于由于晶格限制或者体积变化带来的材料/电池性能衰退；同时全有机的设计使有机电极材料摆脱了对活泼金属对电极的依赖，将充分发挥有机电极材料自身在循环稳定性、快速反应动力学等方面的优势，并有助于获得更好的电极/电解质界面特性；此外非对称的设计将更好地利用有机电极材料的活性，为全电池提供更好的能量效率和循环稳定性。本项目将通过对正负极材料、适配电解质的选取全面、深入研究有机电极材料电化学行为、电化学反应历程以及电极/电解质的相互作用，在此基础上，建立性能优异的全有机电池。

根据目前传统电池体系对于矿产资源的依赖以及绿色可持续发展的要求，在申请书中，我们就将目标定位在有机材料在电化学储能上的应用。项目拟对基于非对称设计的全有机电池体系进行研究，并最终建立不同于传统嵌入反应机制，不采用活泼金属电极的高性能全有机电池。.目前以上研究目标均已达成，利用P/N型有机电极材料对于阴阳离子的结合/解离实现了电荷的释放和循环，同时利用全新设计的离子液体电解液首次提出了有机电极材料对于有机阳离子的活性，并揭示了这种新的氧化还原行为较常见金属离子结合/解离更为快速的动力学反应特性。通过非对称的有机阴阳离子在正负极的耦合/解耦以及离子液体在溶剂化上的独特优势建立了真正全有机的电池体系。在此基础上，对电解液进行了深入研究，从电解质盐到溶剂，从盐的离子间作用力、尺寸、极化能力到溶剂的极性，多种物理特性等进行了电解质构建，并最终利用塑晶型电解质实现了电池的超低温工作。除此以外，为了进一步拓展有机电极材料的容量，减轻有机电极材料在体积密度上的劣势，我们以小分子有机电极材料为目标，在发现多位点染料小分子的基础上，对小分子与电解液之间的相互影响/作用以及这些影响随着电极电势的演变等进行了深入研究，利用离子液体电解液，局部高浓电解液等实现了高容量有机小分子电极材料的稳定循环。.经过四年的研究，我们取得了丰硕的成果，通过电解液、电极材料的多重筛选下，全有机电池在接近实用载量的前提下，电池工作温度首次突破到-110oC，而且保持了接近70%的理论容量；而在-95 oC的低温条件下，它仍然能够进行1C倍率充放电并保持80%的容量。而通过电解液优化，我们将离子液体电解质或者局部高浓电解液应用于典型小分子有机电极材料上，实现了5,7,12,14-并五苯四酮这种长期被溶解损失诟病的材料长达500周的稳定循环。以上工作的开展和成果的取得为有机电极材料或者离子液体在储能领域的应用提供了非常有价值的参考。