１ 醌类化合物
醌类化合物在非质子电解液中的溶解度较大ꎬ 从而导致电池容量迅速衰减ꎮ 而且ꎬ电解液中溶解 的醌类化合物会在正负极之间进行迁移ꎬ从而造成 穿梭效应和低库仑效率ꎮ为了解决该问题ꎬ通常采
收稿日期:２０１９ － ０２ － ０６ 作者简介:朱志文(１９７３ － ) ꎬ男ꎬ助理工程师ꎬ从事化工生产及质量管理工作ꎬ电话:１３５９８５００９３０ꎬＥ － ｍａｉｌ:ｚｈｕｚｈｉｗｅｎ１０２２＠ １２６. ｃｏｍꎮ
该材料的初始容量为 ２６８ ｍＡ / ｈ������ｇ － １ ꎮ 电池循 环 １００ 周后ꎬ容量保持率为 ７５％ ꎬ组装电池的能量 密度能达到 ５５７ Ｗｈ������ｋｇ － １ ꎮ 最近ꎬ他又报道了一种 三明治结构的聚丙烯 / 全氟磺酸 / 聚丙烯膜ꎬ该膜可 以防止溶解的醌类化合物在电解质中穿梭至负极ꎮ
第 ４ 期 朱志文等:羰基化合物作为有机电极材料在钠离子电池中的研究进展
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羰基化合物作为有机电极材料在钠离子电池中的研究进展
朱志文 ꎬ 郭贤慧
( 多氟多化工股份有限公司 ꎬ 河南 焦作 ４５４００６)
摘 要:由于钠资源具有储量丰富、成本低廉等优势ꎬ钠离子电池已在新型二次电池领域受到了非常大的关注ꎮ 对
ｔｒｏｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ.
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ｃａｒｂｏｎｙｌ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ꎻ ｓｏｄｉｕｍ ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ ꎻ ｏｒｇａｎｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ꎻ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ
０ 前言
钠资源广泛分布在地壳和海洋中ꎬ具有储量大、 成本低等优势[１] ꎮ 因此ꎬ钠离子电池( ＳＩＢ) 被认为
通过在醌类化合物结构中引入不同的功能基 团ꎬ可以有效调节有机电极材料的工作电压ꎮ 卤原 子具有强吸电子性能ꎬ可以有效降低最低未占轨道 ( ＬＵＭＯ) 的能量ꎮ 通常ꎬＬＵＭＯ 的能量与还原电压 呈线性关系ꎬ更低的 ＬＵＭＯ 能量可以有效提高还原 电压ꎮ 基于密度函数理论( ＤＦＴ) 进行计算ꎬ氧化还 原电压大小顺序为:Ｃ６ Ｆ４ Ｏ２ > Ｃ６ Ｃｌ４ Ｏ２ > Ｃ６ Ｂｒ４ Ｏ２ > Ｃ６ Ｈ４ Ｏ２ ꎮ 除 了 卤 原 子ꎬ 氰 基 ( ＣＮ ) 和 磺 酸 盐 ( — ＳＯ３ Ｎａ) 也是很常见强吸电子基团ꎮ
Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ Ｓｏｄｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ
ＺＨＵ Ｚｈｉｗｅｎ ꎬ ＧＵＯ Ｘｉａｎｈｕｉ
( Ｄｏ － Ｆｌｕｏｒｉｄｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｃｏ. Ｌｔｄ ꎬ Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４００６ ꎬ Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｓｏｄｉｕｍ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｈａｖｅ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ａｂｕｎｄａｎｔ ｒｅｓｅｒｖｅｓ ａｎｄ ｌｏｗ ｃｏｓｔꎬｓｏｄｉｕｍ ｉｏｎ
用以下解决方案:引入吸附性较强的碳材料ꎻ优化电 解液组分以增加其黏度ꎻ制备极性较大的盐类ꎻ增加 聚合物相对分子质量[２ －５] ꎮ 几种常见醌类化合物的 结构如下[６] :
非常有希望应用于大规模电化学储能设备ꎮ 由于钠
离子和锂离子具有相似的物理化学性能ꎬ许多研究
者正在努力研究具有嵌钠和脱钠机理的潜在材料ꎮ
羰基化合物有机电极材料的研究进展进行了阐述ꎬ并对比分析了有机电极材料的结构设计ꎮ
关键词:羰基化合物 ꎻ 钠离子电池 ꎻ 有机电极材料 ꎻ 结构设计
中图分类号:ＴＱ１５２ 文献标识码:Ａ 文章编号:１００３ － ３４６７(２０１９)０４ － ０００９ － ０３
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎｙｌ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ａｓ Ｏｒｇａｎｉｃ
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河南化工
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ＨＥＮＡＮ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＩＮＤＵＳＴＲＹ
２０１９ 年 第 ３６ 卷
许多研究人员通过将醌类化合物与碳材料复合 起来ꎬ以显著提升有机电极材料的导电性ꎮ 通常采 用的碳材料 有 介 孔 碳、 石 墨 烯 和 碳 纳 米 管 等 材 料ꎮ ＷＡＮＧ 等[７] 从天然有机物中提取了一种胡桃醌ꎬ并
将其与石墨烯复合起来ꎬ从而制备了一种胡桃醌 / 石 墨烯复合材料( 如图 １ 所示)ꎮ 该复合材料中的石 墨烯中具有 π － π 共轭结构ꎬ可以有效提高复合材 料的导电性以及抑制电极材料在电解液中的溶解ꎮ
图 １ 胡桃醌 / 石墨烯复合材料示意图
将醌类小分子化合物进行聚合形成相对分子质 量较大的聚合物ꎬ以减小醌类化合物在电解液中的 溶解ꎮ ＳＯＮＧ 等[６] 报道了一类聚( 苯醌基硫化物) 正 极材料ꎬ其结构如下:
将醌类化合物转化为盐类ꎬ以增强无机 － 有机 化合物的极性ꎬ进而降低有机电极材料在电解液中 的溶解性[８] ꎮ 通常选用的盐类取代基是给电子基 团ꎬ因此ꎬ醌盐的工作电压通常会比醌类化合物低ꎮ Ｎａ２ Ｃ５ Ｏ５ 和 Ｎａ２ Ｃ６ Ｏ６ 醌盐在充放电过程中经常会发 生相变ꎬ容易导致有机电极材料的体积变化ꎬ进而使 得电极材料与集流体之间的接触不紧密ꎬ电池容量
ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ｈａｖｅ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｎｅｗ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ. Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏ￣
ｇｒｅｓｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｎｙｌ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ａｓ ｏｒｇａｎｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｓ ｅｘｐｌａｉｎｅｄꎬｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｅｌｅｃ￣
和无机电极材料相比ꎬ有机电极材料表现出了如下
几个优点:①制备条件温和ꎻ②可直接从天然材料或
其衍生物中获取有机电极材料ꎻ③理论容量高ꎬ远高 于无机电极材料( ＮａＦｅＰＯ４ 的容量 １５４ ｍＡ / ｈ������ｇ － １ ꎬ Ｎａ３ Ｖ２ ( ＰＯ) ４ 的容量为 １１７ ｍＡ / ｈ������ｇ － １ ) ꎮ