建立清潔高效的新能源體系是實現能源結構轉型、解決資源與環境問題的關鍵。然而，以風能、太陽能為代表的清潔可再生能源存在時空波動性和不確定性，給電網的穩定運行控制增大了難度和風險。因此，發展高性能、低成本的規模儲能技術尤為重要。鋰離子電池具有比能量和比功率高、響應速度快等優點，是現階段綜合性能最為優異的一種電化學儲能技術。然而，鋰資源的稀缺以及分布不均性限制了鋰離子電池在大規模儲能市場的廣泛應用。鈉、鉀與鋰具有相似的化學性質（表1），且在地殼中的元素豐度（Namatch約2.36%，K約2.09%）遠高于鋰（約0.0017%）。因此，基于鈉元素與鉀元素構建的儲能體系在資源與成本上具有明顯優勢，在未來規模儲能領域極具應用潛力。
然而，鈉、鉀的離子半徑（分別為1.02 ?和1.38 ?，1 ?=0.1 nm）較大，在傳統無機晶格嵌入-脫出的過程中容易造成主體晶格結構的坍塌，嚴重影響了材料的循環穩定性。因此，亟需探尋清潔、廉價且綜合性能優異的儲鈉（鉀）新材料，為未來的規模儲能提供更廣闊的選擇空間。有機電極材料具有柔性骨架結構，對陽離子半徑的限制較小，原則上非常適合體積較大的鈉離子以及鉀離子的存儲，是理想的鈉離子電池以及鉀離子電池電極材料。此外，有機電極材料具有資源豐富、成本低廉、環境友好且結構多樣等優勢，基于有機電極材料構建的低成本、長壽命且高能量（功率）密度的新型鈉（鉀）離子電池是未來“綠色電池”發展的重要方向。
表1 鋰，鈉和鉀的基本性質與電化學性能比較
M= | Li | Na | K |
豐度[wt%] | 0.0017 | 2.36 | 2.09 |
原子質量 | 6.941 | 22.99 | 39.10 |
離子半徑 [?] | 0.76 | 1.02 | 1.38 |
氧化還原電位vs. SHE [V] | -3.04 | -2.71 | -2.93 |
工業級金屬價格[萬元/噸] | 80 | 2.1 | 9 |
重點內容導讀
目前有機電極材料主要可分為羰基化合物、有機硫化物、導電聚合物、氮氧自由基化合物這四類，其中羰基化合物材料具有電化學反應活性強、理論比容量高等優點，在鈉、鉀離子電池被廣泛研究。羰基化合物的氧化還原反應機理為羰基（C==O）的烯醇化反應，每一個C==O單元對應于一個電子的得失。由于烯醇化反應的動力學速率快，羰基化合物具有較高的電化學反應可逆性。根據官能團差異，羰基化合物電極材料主要可分為醌類、酰亞胺類和共軛羧酸類3大類。羰基化合物的研究必須從材料的可控制備、電極界面反應動力學研究以及電池體系的先進表征以及電池模擬等三個方面展開，以解決電池的電極微納結構設計與材料反應性質的調控、電極/電解質界面的結構修飾與功能調控以及電池反應的安全性控制機理。
現階段報道的羰基化合物電極材料普遍存在的問題以及解決方法如下：
（1） 循環穩定性不佳
小分子羰基化合物在電解液中存在不同程度的溶解現象，因此容量衰減較快。針對這一問題，現階段采取的解決方法有如下幾種：（a）制備小分子羰基化合物的金屬鹽，制備類似金屬-有機框架結構化合物；（b）合成大分子聚合物，降低溶解性；（c）與碳材料復合，碳材料的吸附作用，降低有機物的溶解性；（d）電解液的改善。
（2）多數羰基化合物固有導電性較差，倍率性不佳
針對羰基化合物本征導電性差的問題，現階段的主要改性方式如下：（a）增大羰基化合物的共軛平面，調整共軛羰基化合物的能帶結構，減小帶隙以提高材料的固有電子導電性；（b）與導電添加劑復合，該方法相對簡單，更容易大規模實際應用。
（3）羰基化合物正極材料電壓偏低0.6~2.2V （vs. Na+/Na or K+/K）
有機化合物的物理化學性質與其分子結構密切相關，通過調節分子的化學組成可以實現對其氧化還原電勢的可控調節。現階段，研究者們通常采用基團接枝和雜原子取代兩種方式調節羰基化合物的氧化還原電勢。在羰基化合物中引入吸電子基團，可以降低其最高占有分子軌道(HOMO)和最低未占有分子軌道（LUMO）的能級，從而提高其嵌鈉電勢；此外，電負性較強的原子（如O，N，S等）取代羰基化合物中的碳原子，可以有效提高羰基化合物的正極材料氧化還原電勢。
結論
鈉（鉀）離子電池資源豐富、成本低廉，是極具大規模應用潛力的新型電池體系。然而，受制于較大的鈉（鉀）離子半徑，這兩類電池電極材料的選擇受到了極大的限制。以共軛羰基化合物為代表的有機電極材料具有柔性的骨架結構，對陽離子半徑選擇性小，且結構多樣、理論比容量高、環境友好，基于有機共軛羰基化合物構建的鈉（鉀）離子電池是未來“綠色電池”發展的重要方向。該文介紹了共軛羰基化合物的分類、儲鈉/鉀性能及機理，重點探討了羰基化合物作為儲鈉（鉀）材料存在的問題和改進方法。最后，提出通過分子結構設計（基團接枝或雜原子取代等）、制備復合材料以及電解液體系的優化等方式，可以進一步提高基于有機羰基化合物的鈉（鉀）離子電池的性能，構建下一代應用于規模儲能的低成本、高性能儲能體系。
羰基化合物的理論比容量和電壓
引用本文
劉夢云，谷天天，周 敏，王康麗，程時杰，蔣 凱，共軛羰基化合物作為鈉/鉀離子電池電極材料的研究進展[J]儲能科學與技術,2018,7(6)
團隊介紹
劉夢云 第一作者
蔣凱教授 通訊作者
團隊介紹：
蔣凱，華中科技大學電氣與電子工程學院教授、博士生導師，國家“青年千人計劃”入選者，湖北省特聘專家。一直以來，從事新型電化學儲能技術和新能源材料的研究，在高效廉價大規模儲能技術和節能減排電化學新技術等方面取得了系列創新成果，先后在Nature、Chem. Rev.、Energy Environ .Sci.、Angew .Chem .Int .Ed.、Chem .Mater.、Langmuir等國際權威學術期刊發表學術論文60余篇，申請和授權中國和美國發明專利30余項。主持國家重點研發計劃、國家自然科學基金委智能電網聯合基金重點項目、基金委面上項目、湖北省技術創新重大項目和國家電網公司前瞻性科技項目等。依托華中科技大學電氣與電子工程學院和強電磁工程與新技術國家重點實驗室，建立了一個集電氣、材料和化學等大學科交叉的研究團隊，開展面向電網應用的液態金屬電池、鈉離子電池、鋰硫電池等新型電化學儲能技術及其應用的基礎研究。
