文章题目：

Recent Progress and Design Principles for Rechargeable Lithium Organic Batteries

作者：

Xiudong Chen（陈修栋）, Xiaojie Yin（尹晓杰）, Junaid Aslam, Weiwei Sun, Yong Wang*（王勇）

通讯单位：

Shanghai University

关键词：

Lithium organic batteries; Li-storage mechanism; Organic electrode; Organic functional group; Redox mechanism

引用信息：

Xiudong Chen, Xiaojie Yin, Junaid Aslam, Weiwei Sun, Yong Wang. Recent Progress and Design Principles for Rechargeable Lithium Organic Batteries. Electrochem. Energy Rev. 2022, 5(4), 12. https://doi.org/10.1007/s41918-022-00135-9

全文链接：

https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s41918-022-00135-9.pdf

长按/扫描阅读全文

1.综述了可充电锂有机电池的最新进展；

2. 分析比较了不同有机电极材料的氧化还原储锂机理;

3. 总结了有机电极面临的挑战，提供了一些解决方案和策略，做出了分析与展望。

1. 前言

当前，为了满足世界经济的快速发展，能源需求急剧增加。能源相关问题是世界上最重要的问题之一，并面临着新的挑战。挑战不仅在于开发新的可持续清洁能源，还在于寻找高效的储能系统，例如燃料电池、超级电容器、锂/钠/钾离子电池和锂硫电池。其中，锂离子电池（lithium-ion batteries，简称LIBs）主要由正极材料、正极材料、隔膜和电解质组成。其存储性能主要取决于电极材料。近几十年来，商业正极主要基于LiCoO₂/LiFePO₄（~150/170 mAh g⁻¹）。负极材料主要是石墨，理论容量约为372 mAh g⁻¹，远低于人们对高能量密度的需求。许多具有相对较高容量的潜在负极材料，如过渡金属氧化物、硫化物和磷化物等被开发。科学家们已经对关键的硅基材料进行了广泛的探索，其4 200 mAh g⁻¹的理论容量可以超过商业石墨的11倍。然而，在循环过程中存在很大的体积变化和结构不稳定性。这些问题导致库仑效率低和容量快速衰减。为了解决这些问题，学者们通过结构调控合成了各种结构（空心、核壳、蛋黄壳结构）的材料。这些材料由不可再生的过渡金属组成，在采矿过程中会产生有毒有害气体。此外，过渡金属污染的存在和高昂的回收成本仍然具有挑战性。因此，环保电极材料更适合LIBs，并在这方面变得更具吸引力。

有机电极材料（organic electrode materials，简称OEM）具有环境友好、设计多样性、灵活性和低成本等优点。它们由天然丰富的非金属元素（例如C、O和N）组成，含有大量的氧化还原活性中心并通过共价键连接。因此，它们具有作为储能材料的潜力。1969年，Williams 和他的同事首次探索了使用有机二氯异氰尿酸作为锂离子电池的电极材料，几乎与无机材料同时使用。然而，研究人员对OEM的关注不如对无机电极材料的关注。近几十年来，环保材料的开发越来越受欢迎。与OEM相关的成就很多，包括电导率改进、结构设计和储能机制。常规锂离子电池无机电极材料的储锂机理主要包括嵌入机理、合金化机理和转化反应机理。首先，嵌入的储锂材料具有良好的充放电循环稳定性，但其比容量相对较低。在电化学储锂过程中，锂离子以固溶体或一级相变的形式进入材料的主要结构。锂离子从储锂材料中的嵌入和脱嵌都会导致材料的电子和离子电导率发生显着的变化，但材料的晶胞体积变化较小。其次，对于储锂过程中的合金化机制材料，储锂材料与锂发生固溶反应或加成反应，形成各种锂基合金。合金化机制材料具有较高的理论容量，但其首圈库仑效率低、体积膨胀和充放电时结构不稳定导致循环性能较差。第三，转化反应型储锂材料主要通过锂离子的嵌入和脱嵌来储存锂。这类电极的锂储放反应路径受充放电倍率、活性物质晶粒尺寸、比表面积等多种因素影响。在电化学储锂过程中，转换反应型储锂材料巨大的结构重构和体积变化导致电极片破碎、活性物质颗粒分离、活性物质之间的电接触变差。与无机电极相比，有机电极的储锂机制通常通过N、O、S 、C（具有孤立的电子对）和一些不饱和共价键（双/三键和大的共轭π键）来接受Li⁺并促进电荷转移。大多数OEM仅表现出充放电状态的变化，而没有严重的体积变化。目前，大量具有电化学活性基团（C=O、C=N、自由基、苯环、含氮环、N=N 等）的有机分子已被成功合成并用作电极材料（例如有机硫化合物、导电聚合物和有机自由基化合物）。

近年来，一些有机电极在电化学性能方面取得了令人难以置信的突破。它们的可逆容量甚至可以比传统的无机对应物更好。然而，有机电极研究仍处于起步阶段，尚未得到实际应用。一些综述描述了有机电极的设计策略、原理和发展历史。特别是，Chen及其同事在将有机材料应用于储能方面做出了重大贡献。然而，最近具有有机官能团（如C=C、苯环和含N环）的有机电极尚未对其储锂机制进行系统评价。基于对这些新兴有机基团和分子设计的系统总结和分析，以与无机对应物竞争，实现较大的比容量和较长的循环寿命至关重要。本综述旨在从这个角度概述OEM系统及其新兴设计原则和趋势的最新进展。本综述基于锂存储氧化还原机制（C=O、C=N、自由基、苯环、含氮环、N=N、杂原子、C≡N、S–S等）进行分类。我们还总结了OEM面临的挑战，并概述了一些有前景的解决方案和战略，以应对其未来发展。随着对有机电极的深入研究，特别是具有巨大容量潜力的新官能团，希望有机电极在不久的将来具有巨大的商业化前景。

2. 内容概括

2.1 基于C=O的OEM

羰基化合物作为有机材料的研究无论在数量上还是质量上都取得了可喜的成绩。使用有机羰基化合物作为LOB（lithium organic battery）的OEM主要关注的是电极工作原理和电化学性能。例如，醌作为基于羰基反应的常用有机电极已被广泛研究。然而，这种材料由于溶解在有机电解质中，通常会产生严重的容量衰减。更严重的是，溶解的醌会在阳极和阴极之间迁移，产生穿梭效应，加剧容量衰减。为解决这一问题，常用的方法主要包括复合碳，对材料本身具有物理吸附作用，优化粘合剂，形成有机盐，构建多功能隔膜，形成聚合物。为了在以下讨论中更好地进行比较和分析，将羰基化合物分为几类，包括小分子、有机盐和聚合物。

使用小分子羰基化合物作为电极材料的主要问题是它们在有机电极溶液中的溶解性。因此，在长时间循环期间循环性能下降。Sampath等人探索了有机小分子鞣花酸（ellagic acid，简称EA）的机理，其在50 mA g⁻¹下的首次循环容量为740 mAh g⁻¹，30圈循环后为 330 mAh g⁻¹。2,5-二羟基对苯二甲酸（2,5-dihydroxyterephthalic acid，简称DHTPA）和腐植酸（humic acid，简称HA）的容量都显示出同样的快速衰减。此外，防止小分子溶解的一般方法为有机盐的聚合或形成。Chen的团队通过设计TPB（2,3,5,6-ortho-phthalimine-1,4-benzoquinone）解决了这个问题，其中刚性基团与苯醌分子骨架配位以提高电化学性能。该设计解决了溶出问题，提供了一种新的研究策略。当在LOB中作为阴极进行测试时，TPB不溶于非质子电解质。如图1a所示，电化学氧化还原过程通过非原位XRD（X-ray diffraction）验证。此外，还通过非原位FTIR（Fourier transform infrared spectroscopy）光谱检测了电极放电/充电的过程（图1b）。DFT（density functional theory）计算显示了TPB的氧化还原反应（图 1c），表明具有最低静电势值的8个位置都更靠近10个羰基，而不是6个可能包含Li⁺的位置。图1d显示了两步锂存储机制。锂插入的理论电位分别为 3.63 V（两个 Li⁺）和 2.28 V（四个 Li⁺）。循环100圈后，比容量在0.2 C时达到 204 mAh g⁻¹，这可能是由于TPB在非水电解质中的不溶性。最近，有人提出了一种新的小醌电池材料不溶化策略。由强极性的羰基和氨基形成的2,5-二氨基-1,4-苯醌（2,5-diamino-1,4-benzoquinone，简称DABQ）中的分子间氢键被发现足够强，导致在有机电池电解质中的溶解度极低。这项研究为减少小分子的溶解度问题提供了新的见解。

图1 a, b 在第一个循环期间样品的原位XRD和非原位IR（infrared spectroscopy）；c ESP（electrostatic potential）映射的TPB分子的vdW表面；d TPB/Li₂TPB/Li₆TPB的配置。（Copyright © 2017, Wiley–VCH）

2.2 基于C=N的OEM

除了上述基于C=O的锂存储机制外，还有一些基于C=N键的OEM。虽然数量相对较少，但可逆容量往往高于基于C=O键的OEM。洛等人研究了2,3-二氨基吩嗪（2,3-diaminophenazine，简称DAP）作为有机电极材料。它的活性基团是杂环中的一个C=N键，由于在电解液中的溶解受到抑制，在100圈循环后呈现出220 mAh g⁻¹的大容量。增强的电化学性能源于氨基官能团的引入。此外，Mitra等人已将一种小的 N,N-二取代-4,4′-联吡啶（N,N-disubstituted-4,4′-bipyridine，简称BTFV）有机化合物描述为LOB的阴极。BTFV在50 mA g⁻¹下表现出240 mAh g⁻¹的可逆容量和良好的倍率性能。最近，通过邻苯二胺与环状羰基分子的缩合合成了π-共轭喹喔啉基分子（π-conjugated quinoxaline-based molecules，简称3Q）。在放电过程中，产生了六个锂化的3Q结构，包括具有单个锂离子的双齿结构（3Q–Li）和六齿结构（3Q–6Li）。它们在400 mA g⁻¹下的放电容量为395 mAh g⁻¹，在8 A g⁻¹下10 000圈循环后，它们保留了近70%的容量。杂芳族分子的多个氧化还原位点的增加可能归因于高比能力。遵循相同的锂存储机制，Zhang等人使用六氮杂萘（hexaazatrinaphthalene，简称HATN）核心以一种简单且可扩展的方式提出了两个重要的多孔有机框架。HATNPF聚合物具有309 mAh g⁻¹的高容量和出色的长期循环性能，在1 200圈循环中保持92%的容量。为了提高电子导电性，他们还报道了新型六氮杂苯并苯（hexaazatriphenylene，简称HAT）衍生物（HATN 和 HATNTA）及其GO（graphene oxide）复合材料，用作LOB的阴极材料。他们证明，电化学性能的显着改善可归因于与GO的相互作用，这显着缓解了溶解问题。张等人最近提出了一种新的含三嗪的PTDAPTz聚合物，其比面积为930 m² g⁻¹，这归因于三嗪基电极结构中的三个活性C=N键和丰富的孔隙率。它在4.2–1.5 V的电位窗口内表现出123 mAh g⁻¹的容量。

2.3 基于自由基的OEM

含有自由基聚合物的有机电极已在高性能LOB中得到广泛研究。通常，有机自由基聚合物可以通过添加和提取阴离子如ClO₄⁻或PF₆⁻进行p型掺杂/去p型掺杂。为了在分子水平上放大自由基聚合物的固有导电性，Su及其同事创造了一种新的含苯胺的氮氧自由基。然后通过化学氧化聚合〔P(An-co-AnT)〕制备其共聚物和苯胺。这提高了循环稳定性并在20圈循环后保持了82.7%的初始容量。他们考虑了基于含有氮和氧自由基的吡咯共聚物（PPy-co-PPy-C-TEMPO）的复合电极。由于在TEMPO功能单体存在下的原位电化学聚合过程，PPy-co-PPy-C-TEMPO的可逆容量达到70.9 mAh g⁻¹。

同时，自由基聚合物可以用阳离子（如 Na⁺、Li⁺、K⁺）嵌入/提取，用于n型掺杂和去n型掺杂反应。Gaubicher等人用锂基无水电解质合成了锂掺杂的聚苯胺。它可以在2.5–4.25 V下充放电，这比大多数用于正极的有机材料具有优越的电位窗口，并且在400圈循环中表现出大于99%的库仑效率。张的团队研究了一种新型介孔共轭聚合物（PTDATA），该聚合物来源于具有高自由基密度的聚三苯胺。PTDATA是通过化学氧化聚合合成的。PTDATA展示了多级放电平台，容量为133.1 mAh g⁻¹，是其理论容量的92.8%。同样，他们的团队还合成了具有高自由基密度的聚三苯胺衍生物（PFTP），并将其作为LOB的正极材料。PFTP还展示了多级放电平台和改进的能力（74.2 mAh g⁻¹，20 mA g⁻¹），这可能与新获得的聚合物的高自由基密度有关。同样，姚等人报道了具有高效电化学性能的聚(N-乙烯基咔唑)（PVK）。Yoon的小组和Esat的小组分别开发了聚乙二醇–有机自由基聚合物–介孔碳泡沫（PEG-ORP-MCF）和带有TEMPO自由基侧基的聚乙炔衍生物的有序纳米复合材料。

2.4 基于苯环的OEM

借助苯环的锂相互作用机制，具有多个电子氧化还原反应的有机材料可用作负极材料，其电化学性能通常远优于其他有机电极材料。基于每个碳原子（LiC）的化学计量存储所获得的可逆容量与普通无机对应物相当，甚至更好，使其成为高性能锂有机电池的有希望的候选者。请注意，由于LiC₆的化学计量形成，商业无机石墨只能产生有限的理论容量（372 mAh g⁻¹）。锂与苯环相互作用的机理基本上可以认为是锂对苯环的π电子有很强的亲和力，这也是阳离子–π效应的一种。当含苯环的有机化合物用作钠/钾有机电池的电极时，对于其他碱金属离子，如钠/钾离子，也具有很大的亲和势，具有较大的可逆容量。因此，对一系列含苯环有机化合物的研究可能为开发高容量有机电池电极提供新的思路。

孙的课题组在2012年研究了NTCDA的电化学性能，并提出了基于苯环的锂存储机制。观察到的初始比容量为1 273 mAh g⁻¹，30圈循环后可逆容量高达899 mAh g⁻¹。Zhang的团队开发了PQL纳米粒子的大型π共轭结构。PQL的锂存储机制分两步进行。锂离子首先通过一对孤立的电子连接到氮上，然后以特定模式与苯环的碳原子结合。PQL阳极在100 mA g⁻¹下循环100 圈后的比容量为1 550 mAh g⁻¹，表明在环境温度下具有高容量保持率。PQL阳极表现出优异的倍率容量。在0.1、0.25、0.5、1、1.5、2.5和5 C倍率下可实现890、765、666、525、405、298和203 mAh g⁻¹放电容量。当电流密度回到0.1 C时，容量可以恢复到初始容量。同时，研究了高温条件下PQL的电化学性能。温度的升高增强了有机电极的电化学性能。这应该归因于在升高的温度下促进的锂动力学。此外，对BBL及其衍生物（SBBL）和PPCQ进行了探索，由于存在大的π共轭结构（苯环）、杂原子（O、N、S），其具有一对电子和多环芳环。这也提供了一种利用有机层状共轭有机聚合物获得高性能有机电极的新策略。

由于大的π共轭聚合物具有优异的电子接受特性，王的团队研究了几种二维有机共价框架材料的效率水平。2D-COF在生长过程中被CNT原位分离和稳定，通过两种组分之间的π–π相互作用可以在CNT周围获得少量层状COF（图 2a）。确定COF在COF@CNTs中的容量贡献涉及14个电子，在100 mA g⁻¹下循环500圈后其可逆容量达到1 536 mAh g⁻¹（图 2b）。原位拉曼/非原位FTIR测量和对锂存储机制的进一步研究表明，苯环中的C=N基团和芳族C=C基团在锂化/脱锂过程中逐渐减弱并恢复（图 2c, d)。请注意，根据DFT计算，插入14-Li 离子的COF阳极比未取代的COF实现了更低的自由能（图 2e）。因此，基于不同结构条件的芳环中的N原子和C原子，探索了COF单体的逐步锂存储机制。虽然COF@CNTs表现出优异的电化学性能，但活化时间过长，这是层状COF材料的致命问题。为了解决使用COFs作为电极材料需要较长的活化时间的问题，通过机械和化学剥离探索了一系列COF材料，使其成为少层结构，可以大大缩短活化时间。

图2 a COF@CNTs的图形表示；b COF在100 mA g⁻¹时的容量贡献；c, d 放电和充电过程中COF@CNTs 和COF@CNTs电极的拉曼光谱和FTIR；e锂化过程中的结构演变。（Copyright © 2018, Nature Group）

2.5 基于含氮苯的OEM

含有氮环的有机化合物种类繁多，如吡啶、噻唑、三嗪、吡咯等，已在各个领域得到应用。基于含氮环作为LOB电极材料的有机化合物研究也受到越来越多的关注，因为含氮环可以为锂存储提供活性位点。张等人使用自下而上的方法设计了2D多孔共轭聚合物（holey-conjugated polymers，简称HCP）。HCP作为LOB阳极的高可逆容量（在20 mA g⁻¹时高达1 320 mAh g⁻¹）。这主要是归因于LOB中的高孔隙率和N掺杂协同效应。此外，李的课题组通过化学氧化合成了具有噻吩环结构单元的高导电TThPP聚合物，并将其沉积在铜箔上，得到TThPP薄膜。TThPP作为LOB的阳极表现出优异的效果。电流密度分别为0.2、0.5、1、2和4 A g⁻¹，容量范围从666到519、384、271和195 mAh g⁻¹。TThPP薄膜具有优异的锂离子存储性能，因为TThPP结构中含有较多的锂存储活性位点（–NH、噻吩环），其层数少的薄膜可以缩短离子传输路径。

此外，在二维共价有机骨架中引入含氮环可以有效增加锂存储的活性位点数量。Vaidhyanathan小组发现了一种新的含氮COF，它可以长成自剥离纳米片〔(IISERP)-CON1〕。(IISERP)-CON1是由3,5-二氨基三唑和三醛之间的反应产生的。它通过DFT方法进行了优化，并呈现出二维六边形模型（图 3a, b）。间苯三酚与相邻层的π堆叠距离为3.47 Å，三唑单元堆叠距离为 3.26 Å（图3c, d）。由于其COF结构和分层孔隙的剥离，(IISERP)-CON1在100 mA g⁻¹时具有高达720 mAh g⁻¹的比容量，有利于锂离子的快速扩散（图 3e）。利用DFT预测锂离子的存储位置。锂离子主要分布在框架壁附近，存在于层间空间中。同时，锂离子也可以与三唑的氮相互作用形成N–Li。与原始CON的静电势相比，当插入锂时，Li@CON显示出电子分布的显着变化。重要的是，相邻碳原子和氮原子之间的充电间隙由于锂离子的静电相互作用而变得不那么明显，这使得CON可以激发和耗尽电子发射。基于DFT计算的大量电子密度，苯环似乎与锂离子存储有关。

图 3 a, b IISERP-CON1的晶胞；c IISERP-CON1的层间距；d 间苯三酚单元和三唑单元的均匀柱状π堆叠；e 循环图。（Copyright © 2018, Wiley–VCH）

2.6 基于N=N的OEM

有机C=O或C=N化合物可以通过还原一个键中的双键并引起分子内电子转移到连接结构从而与锂离子反应。这些亚胺和羰基电极显示出相对较大的容量，这就是为什么目前的研究更多地集中在这些有机电极上。然而，由于有机电解质的低功率密度、复杂和高成本的合成以及有限的循环寿命，这些有机电极与无机电极相比还没有竞争力。因此，与有机电极相关的新技术具有简便和低成本的合成方法、长循环寿命和高倍率能力是必不可少的。为了实现这些目标，将C=N转化为偶氮基团是一项重要技术。王等人发现了一种基于LOB中硝基转化为偶氮基团的新方法。他们基于N=N反应的存储机制合成了偶氮化合物作为新型锂离子电池活性材料。基于非原位XPS，他们发现该化合物中的N=N键可以还原为N–N键来实现锂离子存储，并且N=N键中的两个氮原子可以与锂离子结合以实现高比容量。硝基和偶氮化合物都表现出很强的循环稳定性和高倍率性能，而硝基化合物的ICE（27.3%）低于PBALS（78.9%）。

二维有机共价骨架（covalent organic frameworks，简称COF）是多孔的、高度结晶的、可调节的、在不同条件下稳定。Sun等人设计并合成了一种具有C=O和N=N双活性位点的Tp-Azo-COF。并以LOB阳极的形式有效使用。其结构通常使用PXRD（powder X-ray diffraction）进行分析，结果表明它是AA堆积的结构（图 4a）。PXRD 显示在大约3.2°处的衍射峰归于（100）晶面。图4b进一步表明Tp-Azo-COF晶体的晶面间距为0.331 nm，与0.330 nm的理论值吻合良好。因此，在3 000圈循环后，Tp-Azo-COF电极可以在1 000 mA g⁻¹的高电流密度下保持305.97 mAh g⁻¹的可逆容量（图 4c）。Tp-Azo-COF负极材料具有丰富的活性位点、更大的共轭结构、更大的表面积、可用的锂离子传输通道、更高的电化学动力学和结构稳定性，这有助于其优异的电化学性能。锂存储研究还通过原位FTIR（图 4d, e）和非原位拉曼光谱（图 4f, g）进行，证明N=N和C=O键可以在电化学循环过程中可逆地存储锂。

图 4 a Tp-Azo-COF的实验和模拟重叠图案的PXRD图案；b Tp-偶氮-COF的方案；c Tp-Azo-COF 在1 000 mA g⁻¹下的长期循环稳定性；d 制成的电极样品在不同放电状态下的原位FTIR光谱变化；e 放电时的等高线和响应面分析；f, g 非原位拉曼光谱研究Tp-Azo-COF的氧化还原机制。（Copyright © 2020, American Chemical Society）

2.7 基于其它官能团的OEM

除了常见的C=O、C=N、N=N反应外，OEM还有一些其他的储锂机制，如C=C/C≡C、杂原子（F、Cl等）、C≡N、S–S和N=O机制。这些基团也被证明具有锂存储潜力，因此，OEM中所有这些活性基团的组合可以实现高性能LOB的众多分子结构或活性存储位点。Renault的小组提出了一种具有超锂化机制的有机阳极材料。他们制备了苯二丙酸二锂（Li₂BDP），并研究了它用作LOB的潜在阳极。Li₂BDP对有机锂盐具有1 363 mAh g⁻¹的高比容量，由于其结合碳的可逆还原而表现出优异的电化学效率，并在锂化/脱锂过程中表现出1/1的Li/C比。有趣的是，Park等人根据DFT计算发现，有机材料中的F杂原子比苯环更容易储存锂离子。设计了扭曲的六苯并芴（cHBC）并氟化（F-cHBC）（图5a）。通过DFT计算F-cHBC和c-HBC的HOMO（highest occupied molecular orbital）和LUMO（lowest unoccupied molecular orbital）能级，结果显示F的引入降低了F-cHBC 的带隙（图 5b）。cHBC分子的带隙被认为被F-cHBC改变，因为F-cHBC在其末端含有四个氟原子。通过四氢呋喃（THF）蒸气和热处理用于改善F-cHBC（T-F-cHBC）晶相和结晶度。T-F-cHBC电极表现出出色的循环性能（在1 000 mA g⁻¹下循环400圈后为200 mAh g⁻¹）（图 5c, d）。DFT计算表明，氟原子附近存在负静电热的空隙，这些空间可以容纳和储存锂离子，用于研究F-cHBC的锂储存机制（图5e）。

图 5 a, b 扭曲的六苯并晕烯（cHBC）和氟化cHBC（F-cHBC）的分子轨道的结构信息和DFT能量图；c T-F-cHBC阳极的倍率性能；d 在1 000 mA g⁻¹下长时间循环；e吸附锂的F-cHBC优化。（Copyright © 2018, Wiley–VCH）

（1）OEM通常环保且具有潜在成本效益，更重要的是具有灵活可变的结构或分子设计，因此被认为是LOB的重要电极材料。具有不同功率密度的原始电极材料的较高/较低氧化还原电位取决于结构和分子调整。OEM可以根据其锂存储电位分为LOB的正极和负极。一般来说，OEM的储锂机制主要依赖于C=O、C=N、自由基、苯环、含N环、N=N、C=C/C≡C、杂原子（F、Cl等)、C≡N、S–S、N=O 等。基于C=O反应的储锂机理主要是不稳定的π键断裂，提供活性位点形成–OLi。有机结构中的不饱和键（例如C=C、C=C、C=N和C=N）具有类似于C=O的锂存储机制。特别是，研究人员在OEM中发现了基于苯环和杂原子环的大π键断裂，在碳原子和杂原子（例如O、N和S）上提供了多个活性位点。此外，与无机电极材料相比，OEM在循环过程中不存在严重的体积膨胀问题，因此通常具有优异的循环稳定性。这一优点为寻找具有高能量密度和长循环寿命的环保电极材料提供了方向。

（2）LOBs的电解液主要由极化的碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯组成。因此，大多数有机电极最重要的问题之一是它们在电解质中的溶解，然后是可逆能力和循环效率差。研究人员提出了几种解决溶解问题的方法。长链聚合物可以通过聚合从有机小分子中获得，这可以很好地解决溶解问题。长链聚合物通常含有大量具有孤立电子对（N、O和S）的杂原子，可以提供更多的氧化还原位点，从而增强材料的容量。此外，有机化合物可以通过合理的设计形成有机盐，从而防止它们溶解在电解质中。全固态或准固态电池的设计也可以避免溶解问题。此外，大多数有机电极（除了导电聚合物）具有较差的电子导电特性，这会减慢锂离子/电子传输速率，导致库仑效率降低、循环性能差和高倍率性能。通过其结构设计将共轭体系引入聚合物，可以解决有机电极导电性差的问题。另一种策略是用高导电率材料（石墨烯、碳纳米管、多孔碳等）合成有机复合材料，以提高它们的导电性。然而，电极中有效活性物质量的减少会导致容量降低。

（3）计算建模是设计有机电极结构的一种有价值的方法，因为它可以确定电极材料的氧化还原电位。密度泛函理论（DFT）可用于计算有机电极的氧化还原电位，计算出的电位与实验数据相符。有机材料的LUMO通常与有机电极的还原电位有关。材料氧化还原电位的设计需要分别考虑正极材料和负极材料。因为OEM的电化学性能主要取决于氧化还原电位，所以负极材料需要低电位，正极材料相反。基于DFT计算，引入额外的吸电子/供电子功能中心将导致有机分子的氧化还原电位更高/更低。因此，通过在有机电极结构的不同位置引入不同的官能团，可以很容易地设计出各种具有合适还原电位的电极材料。

陈修栋（共同第一作者），2019年毕业于上海大学环境与化学工程学院获博士学位；2019之后，任职于九江学院化学化工学院。

尹晓杰（共同第一作者），2020年毕业于上海大学环境与化学工程学院获博士学位；2020之后，任职于巢湖学院化学与材料工程学院。

王勇（通讯作者），2004年获新加坡国立大学化学工程博士学位，2004年至2006年在新加坡–麻省理工学院联盟担任研究员，2007年加入上海大学并被聘为教授。现任上海大学环境与化学工程学院执行院长，主要研究方向为能源与环境材料。