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在现有的二次电池中，锂离子电池由于其高能量密度和高电压等优点，成为纯电动汽车和混合电动汽车最理想的动力电源；在便携式电子产品的电源市场中，锂离子电池更是独占鳌头。目前，锂离子电池存在最大的问题就是锂的高生产成本和资源的不足。将来如果大量使用稀有的锂化合物资源，无疑将加剧锂资源供给不足的矛盾，推动锂离子电池价格的上涨。综上所述，锂离子电池可能无法作为大规模储能电源的理想载体。因此，开发资源储存丰富、成本低廉的先进电池体系是解决未来大规模电能储存的必然出路。为了使储能技术能够发挥最大的用处，非常有必要开发出资源丰富、提炼成本比锂低的电池体系，研究者自然将目光转移到了和锂元素同一个主族、性能比较接近的钠元素。
可充钠离子电池由于具有成本低、储量丰富、分布广泛的特点，在大规模储能方面引起了广泛的关注，成为锂离子电池的理想替代者。钠离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液等组成，其中电极材料的性能直接决定了电池的电化学性能。因此，对于钠离子电池电极材料的研究成为了当前研究的重点。传统的钠离子电池中所用的有机电极材料多是基于共轭羧酸盐的化合物体系，这类化合物通过双键重组机制来稳定体系结构，但化合物种类相当有限。
近期，上海交通大学化学化工学院陈接胜教授、王开学研究员团队与中科院上海硅酸盐研究所刘建军研究员团队合作，在以非共轭体系羧酸类化合物作为钠离子电池负极电极材料方面的研究取得了重要进展。以1,4-环己二羧酸（CHDA）为例，结合实验与理论计算结果，首次提出了非共轭体系羧酸类化合物作为负极电极材料的氢转移储钠机制，即在电化学反应中，两个相邻羧基之间的氢转移会激活羧酸盐官能团的电化学活性，间接促使π*反键轨道向σ成键轨道转变以稳定电子。CHDA负极电极材料具有良好的可逆性和相对恒定的电压。基于以上结果，该工作还对大量非共轭有机化合物进行了预测，为电极材料的选择做出了重要的补充。这项工作将有机电极材料从共轭体系扩展到了非共轭体系，并确定了储钠过程中的氧化还原活性中心，为新型高容量、高可逆性钠离子电池负极材料的开发提供了新思路，为有机电极材料氧化还原反应活性中心的确定提供了新策略。
（a）非共轭体系有机分子氢转移机制与共轭体系双键重组机制对比图。（b）CHDA的氢转移电化学反应机理图。（c）CHDA电化学循环性能图。
该成果“Non-Conjugated Dicarboxylate Anode Materials for Electrochemical Cells”发表在最近的德国应用化学（Angew. Chem. Int. Ed.）上，上海交通大学博士生马超和上海硅酸盐研究所硕士研究生赵晓琳为共同第一作者，王开学研究员为通讯作者。该研究成果得到了国家自然科学基金（51432010、51472158、21573272、21720102002）和高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室开放课题基金（SKL201703SIC）的支持。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/anie.201801654
文章来源：上海交通大学
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