硝基化合物电化学还原衍生的偶氮化合物用于高性能锂离子电池

【引言】

由于对可充电锂离子电池（LIBs）的需求不断增加，环境友好性和可持续性已成为电极材料的关键因素。然而，制造无机电极材料如LiCoO2和石墨会消耗大量的能量并释放大量的CO2。此外，废旧电池可能会通过将钴基电极中的有毒重金属泄漏到土壤和水中而引发更严重的环境问题。为了规避环境和可持续性挑战，开发节能，可持续和可回收电池材料具有重要意义。

【成果简介】

近日，马里兰大学王春生（通讯作者）团队基于硝基化合物向高性能锂离子电池偶氮化合物的电化学转化设计了一种新的化学物质。选择4－硝基苯甲酸锂盐（NBALS）作为模型硝基化合物，系统研究了硝基化合物的结构，锂化／脱锂机理和电化学性能。NBALS在0．5C时的初始容量为153mAh g－1，100次循环后保持131mAh g－1的容量。详细表征表明，在最初的电化学锂化过程中，结晶NBALS中的硝基不可逆地还原为无定形偶氮化合物。随后，偶氮化合物在充电／放电循环中以高电化学性能可逆地锂化／脱锂。偶氮化合物的锂化／脱锂机理也通过直接使用偶氮化合物作为电极材料来验证，所述电极材料表现出与硝基化合物类似的电化学性能，同时具有更高的初始库仑效率。 相关成果以题为“Azo Compounds Derived from Electrochemical Reduction of Nitro Compounds for High Performance Li‐Ion Batteries”发表在了Adv． Mater．上。

【图文导读】

图1 锂离子电池中有机分子的工作原理

在N－N反应中，两个硝基被锂离子还原成偶氮基，形成Li2O

图2 NBALS在锂离子电池中的电化学性能

a）恒电流充电／放电曲线

b）0．1 mV s－1的循环伏安图

c）在0．5C的电流密度下脱锂能力和库伦效率与循环次数的关系

d）倍率性能

图3 光谱分析

a）1个循环之前和之后的NBALS电极的拉曼光谱

b）1个循环之前和之后的NBALS电极的质谱

c）1个循环之前和之后的NBALS电极的XRD光谱 

d）从NBALS向偶氮化合物还原的图示和计算 

【小结】 该工作由硝基化合物锂化合成的偶氮化合物用于高性能LIBs的新型锂离子电池活性材料。详细表征表明，在初始锂化过程中，硝基化合物不可逆地转化为偶氮化合物和具有低ICE的Li2O。用于有机电极的硝基和偶氮化合物的发现为高性能LIBs提供了新的机会。