华南理工/天津大学《Nature》：有机锂电池研究重大突破！ ...

炼心斋

日前，发光材料与器件全国重点实验室黄飞教授团队与天津大学许运华教授团队等合作，首次成功制备出高负载有机电极并研发出能量密度突破250 Wh/kg的有机软包电池，相关研究成果在Nature发表。


论文截图
许运华教授与黄飞教授为该文章共同通讯作者天津大学博士研究生李振飞与华南理工大学副教授唐浩然为共同第一作者。
INTRO
背景介绍
在全球科技革命与能源结构转型的双重驱动下，锂电池作为现代能源体系的"能量心脏"，其战略价值持续凸显。
在国家“双碳”目标引领下，开发出兼具高安全、高比能、环境友好特征的新型电池技术，已成为全球科研与产业界关注的焦点。本研究成果中所制备出的电池，能量密度已媲美商业化磷酸铁锂电池，并具备在-70℃至80℃超宽温域内稳定工作的优异环境适应性，兼具良好的柔性及本质安全性。
本研究得到了教育部基础学科和交叉学科突破计划、国家自然科学基金、中国博士后基金、中央高校基本科研业务费项目以及腾讯新基石科学基金科学探索奖的支持。这也是黄飞团队在导电高分子领域取得重大突破之后，再一次在Nature上发表高水平科研成果。
相较于传统的锂电池

除了环境友好、更加安全、更高性能
本研究又有哪些值得一探究竟的
“硬核”技术呢？
01
光电高分子技术
助力突破传统锂电池技术瓶颈
目前，商用锂电池多采用钴、镍等无机矿物作为正极材料，面临资源紧张、安全性不足及柔性差等挑战。
相比之下，有机电极材料来源广泛、结构可设计、具有本征柔韧性，被视为下一代绿色电池的理想候选材料。然而，其本征导电性差，面临难以实现高负载电极制备等问题，长期制约其实用化进程。


光电高分子兼具无机半导体的光电特性与有机高分子的加工、柔性等优势，已成为全球科技与产业竞争的核心领域之一。
黄飞教授团队长期致力于光电高分子研究，于2022年创新性提出“氧化聚合-还原掺杂”相结合的合成新策略，成功制备出兼具超高导电率与优异空气稳定性的n型导电高分子聚（苯并二呋喃二酮）（PBFDO），实现n型导电高分子领域的重大突破（Nature, 2022, 611, 271），并为导电高分子基电解电容器的国产化提供了关键技术支撑。
在此基础上，研究团队历经多年系统攻关，进一步系统调控材料主链的电子载流子和锂离子的耦合行为，成功开发出兼具高电子导电率、高比容量以及高锂离子扩散系数的有机正极体系，即高性能有机电极材料——PBFDO电极。


图 1 高性能有机电极材料的设计策略
PBFDO电极的电导率超过2000 S cm−1，锂离子扩散系数高达10−8 cm2 s−1，可实现高达206 mg cm−2的电极质量负载和超过42 mAh cm−2的面容量（图1c）。


此种高性能有机电极材料有效突破了传统有机电极材料导电性差、高负载电极制备困难等关键技术瓶颈，展示了有机电极材料在实用化储能系统中的可行性，标志着有机电池技术从实验室研究向产业化应用迈出了实质性一步。

02
除了更高性能
我还能 Hold 住极寒与高温！
研究团队还进一步
成功制备出
安时级有机软包电池的原型
——PBFDO软包电池


图 2 PBFDO软包电池及电化学性能
该电池不仅在常温条件下循环稳定，更展现出在极端温度环境下的可靠工作能力，为下一代高性能、绿色可持续电池技术的发展开辟了新路径。


目前，团队正加快推进有机锂电池的实用化进程。n型导电高分子PBFDO材料已获国家重点研发计划颠覆性技术创新专项论证支持，以及江海电容器、新宙邦等产业基金支持在聚镕光电（广州）新材料科技有限公司实现产业转化，面向全球100+科研院校/企业实现材料供应。
本文来自华南理工大学
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