十九世紀(jì)末人們首次實(shí)現(xiàn)了染料的合成，被認(rèn)為是現(xiàn)代工業(yè)的開端。從那以后，人們發(fā)現(xiàn)相比于無機(jī)材料，有機(jī)材料能夠通過精確的分子設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)廣闊的性質(zhì)調(diào)控。對于目前的先進(jìn)材料設(shè)計(jì)而言，有機(jī)分子能夠通過模塊化的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)滿足多種多樣的需求，包括低質(zhì)量、溶解性、價(jià)格、生物兼容性、電導(dǎo)性等。
使用有機(jī)分子的領(lǐng)域包括光電材料、生物醫(yī)藥。目前主要使用無機(jī)材料的電池技術(shù)面臨的局限性（包括充電時(shí)間、充電容量等），以及是否符合可持續(xù)發(fā)展需求以及無機(jī)材料具有的毒性, 因此有機(jī)分子被發(fā)現(xiàn)能夠用于電池領(lǐng)域是個(gè)新機(jī)會。目前的Li電池通常使用層狀結(jié)構(gòu)材料，比如LiCoO--2和LiMn2O4作為正極材料，其中Li離子能夠作為電荷載體，而且比較容易插層。
能夠通過氧化還原反應(yīng)進(jìn)行結(jié)合Li的有機(jī)材料為Li電池提供一種新型選擇，而且一些研究結(jié)果顯示有機(jī)分子在Li電池中表現(xiàn)非常高的容量。但是，有機(jī)材料用于Li電池的問題在于有機(jī)材料的本征導(dǎo)電性和穩(wěn)定性較差。近日，哥倫比亞大學(xué)Colin Nuckolls、Yuan Yang(楊遠(yuǎn))、Zexin Jin等報(bào)道一種新型有機(jī)低聚物（結(jié)構(gòu)精確的較短納米帶）能夠克服有機(jī)材料的本征導(dǎo)電性/穩(wěn)定性缺陷，為發(fā)展具有快速充電、長期穩(wěn)定并且使用符合可持續(xù)發(fā)展前景的材料電池提供可能。
由于這項(xiàng)研究的重要意義，自然·材料編輯菲利普·鮑爾(Philip Ball)進(jìn)行總結(jié)和評論。
這種新型有機(jī)電極材料使用螺旋形的苝二酰亞胺hPDI[n]（helical perylene diimide），這種分子之前被應(yīng)用于光傳感器、光伏器件、有機(jī)晶體管等領(lǐng)域。分子的基本結(jié)構(gòu)單元是多環(huán)芳香苝（由五個(gè)六元環(huán)構(gòu)成的平面疇環(huán)共軛分子），其中分別在分子的頂部和尾部連接酰胺官能團(tuán)。同時(shí)，多個(gè)芳香苝之間能夠連接，從而形成含有環(huán)狀共軛分子的帶狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生n-低聚體，命名為hPDI[n]。
這種分子中的每個(gè)酰胺官能團(tuán)都能夠與一個(gè)Li離子結(jié)合，同時(shí)高度共軛的分子結(jié)構(gòu)使得其具有較好的導(dǎo)電性。但是，分子的n較小的時(shí)候，分子的尺寸較小，因此容易脫離到電解液中，導(dǎo)致充放電循環(huán)過程中快速衰減。合成具有更高n值的hPDI[n]的溶解性能夠降低，因此作為電極材料更有優(yōu)勢。
作者通過溴化衍生物和硼酸酯衍生物之間的成環(huán)反應(yīng)生成hPDI[4]、hPDI[5]、hPDI[6]，其導(dǎo)電性比n較小的hPDI提高了一個(gè)數(shù)量級。其中hPDI[6]在10000次充放電循環(huán)后基本上沒有明顯的容量損失，平均每次循環(huán)的容量損失僅為0.0017-0.004 %（在7.7-77 ℃）。相比而言，典型的鋰電池循環(huán)壽命僅為300-500圈。此外，hPDI[6]構(gòu)建的電池展示了具有競爭性的能量密度和電流密度，比如發(fā)現(xiàn)做成鋰電池能夠驅(qū)動電風(fēng)扇。組裝的鋰電池能量密度達(dá)到28 kW kg-1，性能比最好的商業(yè)電池高50倍。Philip Ball, A new twist for lithium batteries. Nat. Mater. 21, 993 (2022)DOI: 10.1038/s41563-022-01362-7https://www.nature.com/articles/s41563-022-01362-7Zexin Jin*, Qian Cheng, Si Tong Bao, Ruiwen Zhang, Austin M. Evans, Fay Ng, Yunyao Xu, Michael L. Steigerwald, Ann E. McDermott, Yuan Yang*, and Colin Nuckolls*, Iterative Synthesis of Contorted Macromolecular Ladders for Fast-Charging and Long-Life Lithium Batteries, J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 30, 13973–13980DOI: 10.1021/jacs.2c06527https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c06527
