硝基化合物電化學還原衍生的偶氮化合物用于高性能鋰離子電池

【引言】

由于對可充電鋰離子電池（LIBs）的需求不斷增加，環(huán)境友好性和可持續(xù)性已成為電極材料的關(guān)鍵因素。然而，制造無機電極材料如LiCoO2和石墨會消耗大量的能量并釋放大量的CO2。此外，廢舊電池可能會通過將鈷基電極中的有毒重金屬泄漏到土壤和水中而引發(fā)更嚴重的環(huán)境問題。為了規(guī)避環(huán)境和可持續(xù)性挑戰(zhàn)，開發(fā)節(jié)能，可持續(xù)和可回收電池材料具有重要意義。

【成果簡介】

近日，馬里蘭大學王春生（通訊作者）團隊基于硝基化合物向高性能鋰離子電池偶氮化合物的電化學轉(zhuǎn)化設(shè)計了一種新的化學物質(zhì)。選擇4－硝基苯甲酸鋰鹽（NBALS）作為模型硝基化合物，系統(tǒng)研究了硝基化合物的結(jié)構(gòu)，鋰化／脫鋰機理和電化學性能。NBALS在0．5C時的初始容量為153mAh g－1，100次循環(huán)后保持131mAh g－1的容量。詳細表征表明，在最初的電化學鋰化過程中，結(jié)晶NBALS中的硝基不可逆地還原為無定形偶氮化合物。隨后，偶氮化合物在充電／放電循環(huán)中以高電化學性能可逆地鋰化／脫鋰。偶氮化合物的鋰化／脫鋰機理也通過直接使用偶氮化合物作為電極材料來驗證，所述電極材料表現(xiàn)出與硝基化合物類似的電化學性能，同時具有更高的初始庫侖效率。 相關(guān)成果以題為“Azo Compounds Derived from Electrochemical Reduction of Nitro Compounds for High Performance Li‐Ion Batteries”發(fā)表在了Adv． Mater．上。

【圖文導讀】

圖1 鋰離子電池中有機分子的工作原理

在N－N反應中，兩個硝基被鋰離子還原成偶氮基，形成Li2O

圖2 NBALS在鋰離子電池中的電化學性能

a）恒電流充電／放電曲線

b）0．1 mV s－1的循環(huán)伏安圖

c）在0．5C的電流密度下脫鋰能力和庫倫效率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

d）倍率性能

圖3 光譜分析

a）1個循環(huán)之前和之后的NBALS電極的拉曼光譜

b）1個循環(huán)之前和之后的NBALS電極的質(zhì)譜

c）1個循環(huán)之前和之后的NBALS電極的XRD光譜

d）從NBALS向偶氮化合物還原的圖示和計算

【小結(jié)】 該工作由硝基化合物鋰化合成的偶氮化合物用于高性能LIBs的新型鋰離子電池活性材料。詳細表征表明，在初始鋰化過程中，硝基化合物不可逆地轉(zhuǎn)化為偶氮化合物和具有低ICE的Li2O。用于有機電極的硝基和偶氮化合物的發(fā)現(xiàn)為高性能LIBs提供了新的機會。