基于离子液体电解液的高性能有机醌类钠电池

　　近日，南开大学程方益课题组报道了离子液体在有机醌类钠电池中的应用，成果发表在Chem上（Chem 2019,5,364-375）。

　　与无机电极材料相比，有机醌类电极材料主要由C、H、O、N等高丰度轻质元素组成，具有理论比容量高、分子结构可设计性强和环境友好等突出优点，在新能源领域应用前景广阔。然而，由于相似相溶，醌类化合物易溶于常规的酯类和醚类有机电解液，导致活性物质量损失，容量衰减严重，制约了实际性能。碳包覆、聚合等多种策略被相继报道，在一定程度上可以有效抑制电极材料溶解，获得较好的循环性能。然而，这些方法通常制备过程繁琐，在活性材料中引入高比例非活性成分，牺牲了材料的高容量。如何在保持醌类材料容量优势的同时，解决溶解问题是一项重要且具挑战性的课题。

　　为此，本文提出一种采用离子液体基电解液抑制醌类溶解的策略。通过系统考察3种阳离子（N-丙基-N-甲基吡咯烷[PY13] 、N-丁基-N-甲基吡咯烷[PY14] 、N-丙基-N-甲基哌啶烷[PP13] ）和2种阴离子（双（三氟甲烷磺酰）亚胺盐[TFSI]-和双氟磺酰亚胺盐[FSI]-）组成的6种离子液体（IL）对有机醌类化合物溶解性的影响，并结合DFT计算，发现当离子液体与醌类化合物的极性差异大、给电子对能力低、结合能小时，抑制醌类材料溶解效果最佳。作者进一步优化了0.3 M Na[TFSI]/[PY13][TFSI]电解液，以杯[4]醌（C4Q）为正极，金属钠为负极，构建了有机钠醌电池，醌类放电容量和能量密度分别超过400mAh/g和800Wh/kg，显著优于在醚基电解液，并且可实现较大倍率下的稳定循环。此外，作者还验证了[PY13][TFSI]对抑制多种醌类电极材料（包括苯醌、联苯醌、蒽醌、萘醌、菲醌等）溶解问题的普适性。该工作阐明了离子液体基电解液抑制醌类材料溶解的机制，为提升醌类材料的电极性能、构建新型有机钠电池提供了新思路。