近日，南方科技大学材料科学与工程系卢周广课题组在英国自然出版集团旗下期刊Nature Communications在线发表了题为“Highly durable organic electrode for sodium-ionbatteries via a stabilized α-C radical intermediate”的学术论文，提出了通过自由基稳定化提升钠离子电池有机电极材料的新概念。

有机钠离子电池电极材料由于其具有透明、柔性、资源丰富及易于功能化等特点而成为当前商业锂离子电池电极材料的潜在替代品，应用于可穿戴电子器件和大规模储能等领域。目前通常研究的芳香醌、聚酰亚胺、希夫碱和羧酸盐化合物等有机电极材料不仅容量较低，而且存在循环寿命短等关键问题。因此，开发高容量和高稳定性钠离子电池有机电极材料具有重要的研究价值及应用前景。研究表明有机电极中C=O，C=N，和C-S-S-C等不饱和基团被还原后生成·C-O，·C-N，C-S·自由基中间体。该中间体具有超高的耦合反应活性，易生成无氧化还原活性的二聚体，导致有机电极材料迅速衰减，这是有机电极材料循环寿命差的根本原因。

该课题组从提高反应势垒出发，抑制自由基副反应活性，从而开发高稳定性的有机钠离子电池电极材料。利用上海光源BL08U1A线站的X射线吸收近边结构谱学和BL14B1线站的原位XRD方法，结合电子顺磁共振和充放电测试等方法详细研究了自由基的稳定化机制，证明了α-C自由基的生成、转移、稳定及其电化学行为机制。研究发现，对于大部分的有机电极自由基中间体来说，势垒△E₁值较电极可逆反应势垒△E_OX小，副反应活性高。提高聚合反应方向的反应势垒将有效降低这种副反应的活性。π体系与自由基电子的共轭效应能有效降低自由基R·能量（△E2），位阻效应将增大中间态相互靠近时的排斥作用进而提高R·--·R的中间态能量（E₃）。三-β-酮胺还原后的中间体在π-π电子共轭效应及自由基两侧的芳香基团位阻效应的协同作用下，形成了稳定的α-C苄基自由基。这一过程不仅提高了电极容量，而且大大增强了电极的充放电循环稳定性。该研究提出了一种设计长循环稳定性有机电极材料的通用策略，具有重要的理论指导意义和产业化应用前景。

同步辐射部分的重要工作是在上海光源完成的，得到了上海光源BL08U1A线站和BL14B1线站的大力帮助和支持。本项目得到了国家自然科学基金、深圳市孔雀计划、深圳市基础研究及南方科技大学科研启动基金和校长基金的资助。（物理与环境科学研究部 供稿）

论文链接：http://www.nature.com/articles/ncomms13318



左图：有机钠离子电池原理 右图：能态图



O K edge，N K edge的软X射线吸收谱