NEC锂电池产品分类
高功率密度钠离子NEC锂电池的有机分子设计
有机材料资源丰富、成本低、高柔韧性、结构可调、轻质且工作温度范围宽，被认为是钠离子电池（SIBs）的有前景候选产品。不幸的是，它们较差的电子和离子导电性仍是重大挑战，阻碍了实现高功率密度的钠储存。功率密度是电池性能评估的关键因素，对于评估快速充电能力至关重要。因此，在后续开发中总结高功率密度SIB的策略至关重要。为解决这些局限性并指导未来发展，本要点总结了过去十年SIB研究的关键进展。我们概述了提升高功率密度钠储存的有效分子设计策略，重点关注从主链到侧链的结构优化。此外，我们还提出了未来关于电极、电解质及潜在应用的展望，以提升有机钠离子电池的功率密度。本评测旨在为未来有机材料设计提供全面指导，以实现快速充电能力和整体性能。
快速充电能力对于高功率钠储存中的有机材料至关重要。重点介绍了高功率密度钠离子电池有机分子设计相关的挑战、策略及未来展望。
有机材料因其固有的物理和化学特性以及独特的电化学特性，已成为SIBs的潜在活性材料。5 首先，丰富的原材料来源。有机材料主要由非金属元素组成，如碳（C）、氢（H）、氧（O）和氮（N），这些元素从可持续且低成本的自然资源中提取，能耗极低。5a第二，灵活性和可处理性。有机材料具有软的分子骨架、自由旋转和振动的碳链，以及较弱的分子间力（如范德华力、氢键），使其具有极佳的柔韧性和工艺性。它们可以制成薄膜或其他形状，适用于柔性电子器件。6 第三，结构多样性与可调性。高度可调的有机分子结构通过分子设计优化电化学性能。例如，可以引入卤素官能团来调节电压平台或稳定比电容。7 第四，轻量级。有机材料通常具有较低密度，这可以减轻电池的整体重量并提高全电池的能量密度。此外，绿色合成。有机材料的合成过程环保，且在处理后容易降解，从而减轻了对环境的负担。5d最后但同样重要的是宽广的工作温度范围。有机电极材料在较宽的温度范围内（−70至150°C）表现出良好的电化学性能，使SIB能够在极端环境条件下工作。9 迄今为止，过去十年研究了具有氧化还原活性成分的有机材料，如羰基化合物（CO）、亚胺（CN）、偶基衍生物（NN）、腈（NC）、硫羰基化合物（CS）、二硫键化合物（S–S）和硝基自由基化合物（N–O）。10
众所周知，能量密度、功率密度、寿命和安全性是评估储能系统时的四个关键因素。5e其中，能量密度和功率密度是基础因素，因为它们直接影响电池的电化学性能、电池管理系统及实际应用条件。11 然而，大多数研究关注的是提升能量密度，关注功率密度的作品较少。对于产品用户来说，高功率密度支持快速充放电，缩短充电时间，提升用户体验。它还满足需要强大瞬时能量输出的应用需求，如无人机和电动工具。对于企业制造商来说，高功率密度电池因高速率充放电过程中产生的热量相对较少，便于热管理。此外，它还能通过减少所需的并联电池数量，简化系统设计。这些措施有助于提升电池的安全性和寿命，降低系统复杂性和成本，并提高系统的整体能耗利用效率。因此，高功率密度电池对客户和行业都有益处。
然而，实现有机钠离子电池（OSIBs）高功率密度有两个障碍：电子扩散和离子扩散缓慢。虽然一些导电聚合物（聚苯胺（PANI）、聚乙炔（PA）和聚吡咯（PPy））具有高导电范围，范围从1到10−4S cm−1.12 由于不可逆反应，它们可能难以达到理论容量的一半。13 尽管可以添加大量导电添加剂（如碳黑、导电聚合物等）以增强有机电极材料的电导率，但该方法会降低电极中活性材料的比例，从而降低整体能量密度和功率密度。14 此外，有机材料多孔结构较差和比表面积较低也会导致离子转移受阻。有机材料甚至因溶解性而下落，进一步阻碍电子和离子的传递路径，从而限制功率密度的提升。15
研究发现，分子设计是构建分子结构的最直接且高效的方法之一，能够精确且经济地构建分子结构，并实现OSIB的高功率密度。16 高功率密度OSIB的分子设计高效策略已被提出。一方面，改善电导率差是加速电子转移的主要目标。官能团的引入和共轭构造可以改变电导率。17 已证明引入的官能团和共轭能增加内部电子极化，缩小最高占用分子轨道（HOMO）和最低未占领分子轨道（LUMO）的能隙，从而改善电导率。18 另一方面，增强离子电导率是提升OSIB功率密度的另一种方式。高比面积的多孔有机材料的构造有助于离子输运。分子内和分子间相互作用有助于重排序有机分子，缩短扩散路径，促进界面表面及活性材料内的离子转移，从而提升速率能力。19
尽管在有机分子方面，SIBs在分子类型、形态工程和反应机制方面已有显著进展。20 关于有机分子高功率密度用于钠储存仍需进一步研究，因为高功率密度使得在大电流下实现快速充放电过程，从而提高钠储存系统的高效性。在本重点介绍中，我们将回顾近几十年分子设计方面的多种高功率密度OSIB策略。全面理解这些策略为未来高功率密度OSIB的应用奠定基础，为更高效、可持续且环保的储能解决方案铺平道路。