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▲第一作者：陈远；通讯作者：王成亮
单位：华中科技大学
论文DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00465
在这篇文章中，我们概述了本课题组在提升有机电池性能方面的进展，主要包括以下3个方面：
（1）从分子内和分子间相互作用的角度设计氧化还原活性物质;
（2）巧妙利用弱分子间相互作用对添加剂（导电添加剂、粘合剂以及特殊添加剂）进行调控;
（3）通过功能化隔膜，获得选择性渗透膜，用作离子筛调控离子（分子）传输。
氧化还原活性有机/聚合物材料见证了锂离子电池(LIBs)在上个世纪的快速发展和商业化，以及在过去30年里对开发LIBs的各种替代品的兴趣日益增加。有机高分子材料作为一种潜在的替代品，具有柔性、分子设计可调、潜在的高比容量、丰富的自然资源和可回收性等优点。然而，有机电池仍然面临许多挑战。例如，通过合理的分子设计来提高有机材料的理论容量，研究电荷存储机制，从而实现其实际容量达到理论价值仍然是十分必要的。而且，大多数有机材料的导电率较低，限制了它们的倍率性能，如果加入大量的导电添加剂，会导致能量密度和功率密度较低。此外，许多有机材料，特别是一些小分子，由于可能溶解在有机电解质中，因此其循环稳定性较差。一些其他方面，如高能量密度、高电压输出和实际应用的低成本等，也对有机电池的应用至关重要。
因此，深入了解有机电池的基本原理(如分子内和分子间相互作用)，从材料设计到其他组分调控(调控分子内和分子间相互作用以及调控离子传输)，对于提高有机电池的性能具有重要意义。
3.1氧化还原活性分子的设计
通常，有机活性材料是半导体甚至绝缘体，这导致其低倍率能力。为了解决这一问题，必须加入大量的导电添加剂，这将降低其能量密度。获益于我们在有机半导体的经验，我们提出了扩大π共轭体系策略，其具有以下几个优势:
（1）电荷不仅可以在较大的共轭体系内离域,也可以在相邻分子间离域,从而提高了充电/放电状态的稳定性;
（2）离域可以增强分子内和分子间的相互作用，从而有利于电荷转移;
（3）分子间相互作用的增强将促进层状结构的形成，有望形成快速的离子输运通道。
3.1.2 π-d共轭材料:深刻理解共轭配位聚合物
虽然人们普遍认为共轭体系的扩大可以促进电荷传输，但大多数有机材料的电导率仍然很低。在这种情况下，仍然需要加入大量的导电添加剂，导致能量密度较低。近年来，研究发现共轭有机配体与金属离子形成的共轭配位聚合物具有导电性甚至超导性。此外，聚合物性质也能有效解决小分子配体的溶解问题。然而，与传统的金属有机骨架(MOFs)不同，π-d共轭配位聚合物在储能领域的研究并不广泛，其结构在文献中还存在一些模糊不清的问题。幸运的是，电化学过程中金属价态和化学结构的变化为进一步研究π-d共轭配位聚合物的真实化学状态提供了机会。
有机材料和无机材料最大的区别是有机材料是由分子组成的，分子间相互作用较弱。分子内的化学键是强共价键或离子键，它们是主要的分子内相互作用(其他类型的相互作用也可能存在，例如偶极的诱导效应)。另一方面，无机材料由具有强金属的原子或离子、共价键和离子键组成。这就是有机材料在熔点、沸点、密度、溶解度、电荷输运等性质上与无机材料截然不同的原因。分子内相互作用是用于电池的有机材料通常都具有共轭体系的原因：共轭体系的电荷离域使材料得失电子态具有较高的稳定性。在分子中引入官能团或杂原子可以调节分子的HOMO和LUMO能级，从而改变材料的电极电势，这是通过调控分子内相互作用以提高电池性能的一个形象例子。上面提到的π-d共轭材料同样是通过增强了分子内的电荷离域，获得高稳定性、高电导率和良好的电化学性能。而π-π共轭体系则更倾向于分子间相互作用的调节。另外，通过引入离子键，增强了分子间相互作用，有机盐化合物在有机电解质中的溶解性大幅降低，提高了其循环稳定性。
除了活性材料相邻分子之间的分子间相互作用外，活性材料与其他组分(如粘结剂、导电添加剂、电解质)之间的分子间相互作用也可用于提高电化学性能。特别是与活性材料紧密接触的导电添加剂和粘结剂，可以巧妙地利用分子间微弱的相互作用，对电化学性能产生显著影响。另一方面，特殊添加剂也可以引入分子间的相互作用，以提高性能。
活性物质的溶解将导致活性物质与集流体分离，产生臭名昭著的穿梭效应，并发生各种副反应。毫无疑问，调控电解液也可以减轻溶解，如使用高浓度电解液以及离子液体。然而，一方面，分子设计通常使合成和提纯复杂化，并增加活性材料的成本，而添加剂和电解质的调控往往只是减轻溶解。另一方面，这些方法通常只适用于特定的材料或体系。因此，隔膜的功能化或引入薄膜实现离子或分子的选择性渗透可以有效的防止活性材料的穿梭，从而提高有机电池的稳定性。此外，这一策略还具有普适性，适用于任何活性材料和电池系统，并且兼容目前商业LIBs技术。
有机电池在过去的几十年经历了低谷，又经历了复苏。目前有机电池已经取得了很大成功，包括但不限于有机活性材料的分子设计（扩大π-共轭体系，引入π-d共轭，增加吸电子基团，利用阴离子插层，以及共轭多孔材料等），活性材料的纳米化，添加剂的调控（导电添加剂、粘合剂和特殊添加剂）和电解质(不仅包括液体电解质，也包括固态电解质)，以及隔膜的功能化。然而，有机电池在实际应用中仍有许多挑战有待解决，除了上述的容量、低电导率、溶解性、低密度、输出电压，还包括大批量生产和降低成本等要求。鉴于目前取得的成就，这些挑战应该是可以克服的。随着对有机电池的深入理解，对分子内和分子间相互作用的深入了解，以及高效策略的发展，有机电池必将大有可为。
王成亮，华中科技大学光学与电子信息学院，武汉光电国家研究中心，教授，博士生导师。2005年本科毕业于南京大学，2010年博士毕业于中科院化学所。一直从事于有机高分子材料及其在电子学和能源存储中的应用研究。到目前为止，已在Chem. Rev.，Chem. Soc. Rev.，Acc. Chem. Res.等国际学术期刊上发表SCI论文近70篇，1篇被评为中国百篇最具影响国际学术论文，多篇被评为SCI热点论文和高被引论文，单篇最高被引次数超过2000次。受邀在三本专著中撰写重要章节，包括两本中文版专著；一本英文版专著。
2016年加入华中科技大学，组建独立课题组四年来，已发表多篇高水平论文，包括第一/通讯作者论文Chem. Soc. Rev.，Acc. Chem. Res.，Chem，Adv. Mater.，Angew. Chem.，Energy Storage Mater.， EnergyChem，Energy Environ. Mater.等。指导的研究生已多人次获得三好研究生、优秀毕业生、国家奖学金以及知行奖学金等奖项。
1、共轭有机、高分子材料、共轭配位聚合物材料的分子设计和合成
2、用于柔性电子设备的能源供应体系，有机锂离子电池，有机钠离子电池
全文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.accounts.0c00465
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