超低温有机电池新突破

本文转自x-mol
在高纬度/高海拔地区，建立可靠的二次电池一直是一项技术挑战，尤其在超低温度（<-40摄氏度）的环境中，需要一种能够高效运行的能量储存系统。传统电池技术由于低温动力学差，在这些极端条件下难以实现可靠的高效能源供应，因此迫切需要寻找替代技术。有机电池因其自然丰富、低成本、柔性、可塑性以及快速动力学响应等优势而备受关注。相较于传统无机电极材料的固态扩散限制，有机电池的柔性分子结构和与表面控制相关的快速动力学使其成为超低温条件下传统电池技术的实际可行替代方案。然而，有机电池中的电化学性能受氧化还原活性官能团影响，形成的活性中间体稳定性差，易与电解液发生副反应，导致严重的活性物质损失，容量衰减快。为确保有机电极长期稳定工作，研究者们提出诸多策略，努力解决这一问题，目前在这方面的研究尚未取得理想的进展。为推动有机电池技术在极端低温环境下的应用，需要努力探索更多有效途径。
近期，阿德莱德大学乔世璋院士课题组报道了一项突破性研究，首次利用稳定的多相环己烯二醇四酮二钠（DSR）在超低温钠离子电池中实现了快速动力学和超长稳定循环。通过分子设计，研究者成功制备了纳米尺寸的DSR和π共轭的单层氧化石墨烯复合物（nDSR*π），利用分子间π-π相互作用有效避免了自由基中间体的损耗。这种有机复合电极在-50摄氏度展现出高达130 mAh g-1的电化学容量。结合普鲁士蓝类似物（PBA）的全电池，-40摄氏度下以300 mA g-1的高电流密度进行超过7000圈循环，同时保持101 mAh g-1的放电容量。在实际应用中，软包电池在-50摄氏度条件下能够持续供电LED灯。这项工作揭示了有机电极的独特储能特性，为实现可靠、可持续的超低温电池开辟了新的道路。

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.
在实际应用中，nDSRπ||PBA软包电池表现出优异超低温电化学性能。两串联的软包电池成功在-50摄氏度条件下持续点亮LED灯（绿色，>2.0 V）。演示中，持续亮灯超过1.5 h。此外，该电池可反复充放电使用，可充放性好，性能稳定，突显nDSR*π||PBA电池在实际应用中的巨大潜力。

图2. -50 ℃软包电池性能。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是阿德莱德大学许新博士，通讯作者乔世璋教授。