第一作者：Jihyeon Kim

通讯作者：Kisuk Kang

电动汽车的出现对锂离子电池提出了很高的要求，不可避免地需要大量消耗过渡金属资源。这种资源的使用引起了人们对过渡金属有限供应以及相关环境污染的担忧。传统的锂离子电池依靠过渡金属氧化物为基础的材料，如钴和镍氧化物作为正极，因为它们提供了较高的能量密度和较长的循环寿命。过渡金属资源的可用性有限，导致生产成本高，而且它们的大规模使用既不是可持续的，同时也污染环境。此外，过渡金属基材料目前对电池制造过程造成的全球变暖影响负有近30-50%的责任。因此，人们提出了各种替代方法，使我们能够摆脱传统的过渡金属基活性材料，朝着可持续电池化学的发展。有机可充电电池利用了无过渡金属的活性材料，即氧化还原活性有机材料，主要由地球上丰富的碳、氧、氢和氮组成，环保且经济，有望取代目前的锂离子电池材料，缓解这些日益加剧的担忧。对有机化合物氧化还原活性的基础研究已经发现了几组重要的材料，它们表现出与传统过渡金属基材料相同的电化学性能。最近，广泛的研究旨在实际电池系统中实现这些氧化还原活性有机电极材料，并获得与含过渡金属商业电池相当的性能水平。此外，有机材料的一些普遍缺点，如低电子导电性和高溶解性，可以通过先进的电极设计有效地缓解或通过修改电池配置转化为技术优势。

在这篇综述中，韩国首尔大学Kisuk Kang教授等人重点介绍了有机充电电池技术的最新进展，主要集中在实用方面。除了提供个别氧化还原活性材料的比较评估，作者考虑整个电极组成作为有机电池的组件，提出了一个更实用的评价。然后作者讨论了后锂离子电池系统中氧化还原活性材料的替代平台，涵盖地球上丰富的金属离子的加入以及水系有机电池和有机氧化还原液流电池的开发。本综述旨在对当前的挑战和解决方案进行全面和实际的评估，从而有助于进一步开发可持续且价格合理的有机可充电电池。

图 1 氧化还原活性有机材料的环境和经济价值的比较分析。（a）常见过渡金属基活性材料（蓝条）和有机材料（绿条）之间的全球变暖潜能值（GWP）比较。GWP100表示特定产品对全球变暖的相关影响与100年CO₂气体排放的影响的比较。我们注意到计算GWP100的生命周期评估不包括生命周期结束阶段。氧化还原活性有机材料（橙色条）的GWP是一个估计值，假设氧化还原活性有机材料由简单的有机前体在两到四个步骤中合成，并且在合成过程中几乎不需要额外的能量。（b）近3年期间钴金属（蓝色）、LCO（绿色）、NCM622（黄色）和NCM523（红色）的每日价格。

图 2 典型氧化还原活性有机电极中的氧化还原基序。文献中常见的氧化还原活性有机材料中的典型的氧化还原基序。蓝色和红色分别表示p型和n型基序。在p型和n型氧化还原反应中，通常需要分别由电解液中的阴离子和阳离子进行电荷补偿。

图3 典型氧化还原活性有机材料的分子结构。具有高性能的典型的氧化还原活性有机材料。它们的氧化还原特性通常由它们的氧化还原基序决定。

图4 典型的氧化还原活性有机材料比能的比较分析。（a）典型的氧化还原活性有机物的比容量，电压和对应的比能(虚线)。比容量和电压是放电过程中的值。特别地，放电电压是用放电曲线的积分值除以容量得到的。（b）所选氧化还原活性有机材料的材料比能与电极水平之间的相关性。虚线表示材料能级的比能与电极能级的比能重合的点。（c-e）可以在电极水平上产生高比能氧化还原活性有机材料的方法（图4b中的灰色阴影）。通过分子重排形成有机络合物，例如电荷转移络合物，可以提高有机化合物的电子导电性，从而增加活性材料的含量（c部分）。通过用具有可逆氧化还原活性和高电导率的无机材料代替导电剂，可以提高电极的重量和体积能量密度（d 部分）。一种利用有机材料优势的新型电极工程方法，结合使用碳纳米管，可以绕过浆料浇铸，从而能够制造具有高能量密度的大质量负载电极（e部分）。

图5 倍率性能和循环性能的比较分析。（a）所选定的氧化还原活性有机材料的容量保持率，随着电流的增加，其中应用代表性策略以提高倍率能力（蓝色数据点代表氧化还原活性有机材料，红色数据点代表过渡金属基材料）。更平缓的斜率表示更好的倍率性能，氧化还原活性有机材料的性能与过渡金属基电极一样好。（b）含有氧化还原活性有机材料的电极的可逆容量随电流增加而变化。（c）每篇论文报导的充电/放电循环次数后的容量保持率。

图6 氧化还原活性有机材料用于后锂离子电池配置的潜力。（a，b）单价离子电池（a部分）和多价离子电池（b部分）的一些有机材料（蓝色）和代表性无机材料（红色）的初始比容量和容量衰减率。初始比容量即可逆的放电比容量。无机材料1，Na_0.66Li_0.18Mn_0.71Ni_0.21Co_0.08O₂；无机材料2，Na₃V(PO₄)₂；无机材料3，Na₃MnZr(PO₄)₃；无机材料4，K_0.45MnO₂；无机材料5，K₂Ni₂TeO₆；无机材料6，Mo₆S₈；无机材料7，Ti2S4；无机材料8，Na0.5VPO4.8F0.7。（c）所选定的水系和非水系有机电池的比功率。（d）所选定的无机和有机氧化还原液流电池的性能和成本评估。

对全球环境污染的日益关注，引发了可持续和绿色电池化学物质的发展。在这方面，有机充电电池被认为是有前途的下一代电池系统，可以满足这个时代的需求。要建立切实可行的有机电池，必须创新电极工程和系统设计。另一种战略是建立对环境友好和成本效益至关重要的目标应用，例如通常储存大量间歇可再生能源的固定能源储存系统，而不是移动设备的应用。氧化还原活性有机材料被认为是环保材料，因为氧化还原活性有机材料一般是在温和的合成条件下生产的，对环境影响小，甚至可以从天然产物中获得。未来的工作还应该研究如何以最小的环境覆盖区生产有前景的有机电极材料。此外，考虑到常规使用的电池组件，例如粘合剂和电解液，通常对环境不利或不支持可持续化学，因此对构成有机可充电电池的其他组件也应给予类似的关注。随着人们不断努力提高有机电池的性能和可持续性，一个更环保的可充电世界可能已经不远了。

https://doi.org/10.1038/s41578-022-00478-1

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