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重磅！喬世璋教授團隊，2024年度首篇JACS！

成果簡介

由于電極動力學特性差，可充電電池的超低溫運行是一個重要的實際問題。基于此，澳大利亞阿德萊德大學喬世璋教授（通訊作者）等人首次報道了通過π-π堆疊與單層氧化石墨烯（GO）雜化的納米級玫棕酸二鈉（nanosized disodium rhodizonate, nDRS），用于有機鈉離子電池在超冷環境中穩定的運行。結合原位光譜和同步輻射分析，作者揭示了有機鈉離子電池的氧化還原機制。作者首次揭示了DSR電極中的固-液-固轉化反應，反應動力學特別快，其中nDSR和GO之間的π-π疊加效應提高了液相反應動力學，調節了該小分子的穩定性，避免了有機自由基中間體的消耗。

此外，作者證明了新設計的有機電極具有優異的電化學性能，在-50 °C下具有130 mAh g^-1的高容量。同時，與普魯士藍類似物相結合的全電池結構在-40 °C下可以穩定循環超過7000次，在300 mA g^-1的高電流密度下保持101 mAh g^-1的放電容量，這是非水系電池中報道的最佳超低溫性能之一。更重要的是，兩個袋式全電池串聯在-50°C的超低溫下可連續照亮四個2.0 V綠色發光二極管（LEDs）。本工作揭示了有機電極獨特的儲能特性，為開發可靠、可持續的超低溫電池開辟了新的途徑。

研究背景

由于電極動力學差，傳統的電池技術不能在極端條件（＜-40 °C）下可靠地保持性能。然而，有機電池具有高豐度、電極材料成本低等優點，特別是與柔性分子結構和表面控制反應相關的快速動力學，繞過了無機宿主固態擴散的限制，可能是一種很有前途的超低溫電池技術的替代方案。其中，有機電極材料的電化學性能是由氧化還原活性官能團決定的。通常，有機分子中C=C、C=N和C=O等不飽和鍵的還原形成自由基中間體，在N或O原子上產生負電荷，在C原子上產生不成對電子。然而，這些有機中間體不穩定，很容易溶解在電解質中，導致嚴重的容量損失。雖然利用功能分離器、聚合氧化還原活性化合物等策略可以提高有機電極的穩定性，但在金屬負極和有機正極之間擴散的可溶中間物質導致明顯的“穿梭效應”，類似于金屬-硫電池，還沒有得到很好的調控。

圖文導讀

DSR（Na₂C₆O₆）有機電極的氧化還原反應發生在Na⁺和羰基之間。采用Na金屬負極、nDSR有機正極和1 M六氟磷酸鈉二乙二醇二甲醚電解質組裝Na||nDSR半電池。初始放電至1.7 V后，峰值消失，證明中間物質的形成不穩定，可溶于醚基電解質中間產物在電解液中的溶解導致活性物質的損失和在隨后的循環中拉曼信號的缺失。nDSR*π的拉曼活度同樣在1.7 V時消失，對應于Na₄C₆O₆中間體的形成。放電和充電過程中，產生的最終產物都留在固相中，表現出獨特的拉曼活性，因此這種小分子電極可以實現固體-液體-固體轉換。

圖1. nDSR和nDSR*π中的固體-液體-固體轉化反應

圖2. π共軛效應提高電池性能

DSR的鹽化過程經歷了固體-液體-固體相變。原始產物Na₂C₆O₆和放電產物Na₅C₆O₆分別以固相形式存在，中間產物Na₄C₆O₆可以溶于醚基電解質，其中Na₄C₆O₆通過π-π相互作用的吸收和快速轉化防止了中間體的“穿梭效應”。nDSR的GO和苯環之間的局域電子促進了nDSR*π內的電子傳導，特別是在低溫下，有利于液-固轉換。C2過程顯著提高了反應動力學，加速了不穩定中間物質的轉變，使電極在超低溫下具有優異的穩定性。因此，π-π相互作用和增加的界面潤濕性顯著提高了整體動力學，導致在超低溫下穩定的電阻和更有效的羰基氧化還原反應。

圖3. 電池動力學測定

圖4. 分子結構的演變

在-30 °C下的初始循環中，nDSR*π電極在100 mA g^-1的電流密度下表現出318 mAh g^-1的高容量。在-50 °C下，Na||nDSR*π在電流密度為50 mA g^-1時具有130 mAh g^-1的高初始容量。恒流放電-充電曲線表明，在整個循環過程中具有穩定的容量輸出。nDSR*π||PBA在-40 °C下的循環性能表明，當電流密度為100 mA g^-1時，其初始容量高達192 mAh g^-1，在1000次循環后保持138 mAh g^-1。此外，在300 mA g^-1的高電流密度下，在循環超過7000次后保持101 mAh g^-1的容量。更重要的是，nDSR*π||PBA全電池表現出很強的耐溫性，溫度從-50 °C突然升高到RT，隨后下降到-40 °C后，容量恢復。同時，nDSR*π||PBA在超低溫下表現出鈉離子電池和鋰離子電池（SIBs和LIBs）的最佳循環性能。

圖5. 超低溫下Na儲存性能

作者構建了由nDSR*π負極和PBA正極組裝成的袋式全電池，在完全充電狀態下單袋式全電池的開路電壓為2.1 V。在溫度為-50 °C，電流密度為20 mA g^-1時，袋式電池的放電-充電曲線如圖6b所示，平均放電電壓為1.1 V。在300次循環后，袋式電池容量保持在77 mAh g^-1，沒有明顯的容量衰減。將兩個袋式電池串聯，可以連續為四個綠色LEDs供電（電壓要求為2.0 V），持續時間超過1.5 h。

圖6. 袋式全電池在-50 °C下的性能

文獻信息

Establishing Exceptional Durability in Ultralow-Temperature Organic-Sodium Batteries via Stabilized Multiphase Conversions.?J. Am. Chem. Soc.,?2024, DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.3c11931.

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