高性能有机电池材料的相关研究

基于氧化还原有机电极材料(OEMs)的有机电池因其具有高性能和可设计性等优势受到了广泛关注。虽然有机电池已经取得了一些进展，但有机电池的实际应用似乎还很遥远。OEMs的实际应用需要严格的标准，如低成本、可回收性、可扩展性和高质量负载下的高性能等。然而，受厚电极反应动力学迟滞的限制，有机电极材料在高质量负载下保持高性能仍然具有挑战性。此外，有机电池的可扩展性和可回收性也很少被报道。    

华中科技大学王成亮课题组长期从事高性能有机电极材料的相关研究，并在前期工作中开发了系列高性能的有机电极材料（Angew. Chem., Int. Ed. 2022, 61, e202116289；Angew. Chem., Int. Ed. 2022, 61, e202207221；CCS Chem. 2022, 4, 2768-2781；Angew. Chem., Int. Ed. 2021, 60, 18769；Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 14731；Chem 2018, 4, 2600-2614；eScience 2021, 1, 60-68）。

最近，王成亮课题组再度出发，将目标瞄准在可持续有机电池上，开发了一种低成本、可回收、可扩展的有机电池。这项工作为未来可持续有机电池的实际应用迈出了关键一步。这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，并被遴选为VIP论文。  

Zn//AZOB电池在高负载的情况下仍表现出较高的容量和循环性能。此外，大尺寸的单层Zn//AZOB软包电池也具有较高的容量和循环性能。  

核磁、原位FTIR和原位XRD测试的结果表明AZOB还原后可以通过质子存储转化为氢化偶氮苯。为进一步证明电池的电荷存储机理，通过液相色谱技术，采用内标法进一步量化了其电荷存储机制。结果也进一步表明了Zn//偶氮苯电池的电荷存储机制是一种质子存储化学。此外，以氢化偶氮苯的初始电极材料时，实验结果也表明氢化偶氮苯也同样可以在电化学过程中脱去质子并转化为偶氮苯。  

由于偶氮苯和放电产物氢化偶氮苯在空气中可以稳定存在，且它们在有机溶剂中都具有非常好的溶解性，因此，电池可以在任意充放电状态下进行高效回收，平均回收产率接近90%。  

通过组装层压软包电池(两层、四层或八层电极)进一步验证了该有机电池的可扩展应用。电池也实现了Ah级容量和良好的循环性能，具有潜在的大规模应用前景。   本工作不仅证明了这种有机电池可以在高质量负载下运行，使叠层软包电池电池具有Ah级容量，而且也通过原位表征和定量分析证明了AZOB和HAZOB之间的质子可逆转换化学。此外，本工作也首次实现了电池在任何充电态下的高收率(约90%)回收。这为未来可持续有机电池的实际应用迈出了关键一步。        

  Yuan Chen, HuiChao Dai, Kun Fan, Guoqun Zhang, Mi Tang, Yanbo Gao, Chengyang Zhang, Linnan Guan, Minglei Mao, Huan Liu, Tianyou Zhai, and Chengliang Wang*, A Recyclable and Scalable High-Capacity Organic Battery, Angewandte Chemie International Edition, 2023, DOI: 10.1002/anie.202302539  

编辑：黄飞