共轭羰基化合物作为钠/钾离子电池电极材料的研究进展

刘梦云，谷天天，周 敏，王康丽，程时杰，蒋 凯



共轭羰基化合物作为钠/钾离子电池电极材料的研究进展

刘梦云1,2，谷天天1,2，周 敏1，王康丽1，程时杰1，蒋 凯1

（1华中科技大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074；2华中科技大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074）

钠（钾）离子电池资源丰富、成本低廉，是极具大规模应用潜力的新型电池体系。然而，受制于较大的钠（钾）离子半径，这两类电池电极材料的选择受到了极大的限制。以共轭羰基化合物为代表的有机电极材料具有柔性的骨架结构，对阳离子半径选择性小，且结构多样、理论比容量高、环境友好，基于有机共轭羰基化合物构建的钠（钾）离子电池是未来“绿色电池”发展的重要方向。本文介绍了共轭羰基化合物的分类、储钠/钾性能及机理，重点探讨了羰基化合物作为储钠（钾）材料存在的问题和改进方法。最后，总结了羰基化合物作为钠钾离子电池电极材料存在的基础科学问题、技术挑战以及竞争力，同时进一步展望了有机共轭羰基化合物的发展方向以及大规模储能领域的应用前景。

钠离子电池；钾离子电池；有机电极材料；共轭羰基化合物

以传统化石能源为代表的不可再生能源的过渡消耗带来了多重能源与环境问题。加快能源结构转型、建立清洁高效的新能源体系，是解决这些问题、实现资源与环境可持续发展的关键。然而，可再生能源（如太阳能、风能等）大多存在波动性、间歇性及地域分布不均的特征，制约了其大规模开发和利用。这种形势下，发展高性能、低成本的规模储能技术以满足人类的能源需求显得尤为重要[1]。高性能、低成本的规模储能技术对电池电极材料在容量（130～60 mA·h/g）、循环寿命（10000～15000次）、工作温度范围（-40～70 ℃）等方面都具有一定的技术要求，因此开发满足应用体系要求的电极材料是重中之重。

锂离子电池具有比能量和比功率高、响应速度快等优点，是现阶段综合性能最为优异的一种电化学储能技术，近年来占据了便携式电子产品市场[2]。但是，金属锂在地壳中储量有限且地域分布不均，不利于锂离子电池向规模储能领域的拓展。钠、钾与锂具有相似的化学性质（表1），且在地壳中的元素丰度（Na约2.36%，K约2.09%）远高于锂（约0.0017%）。如图2为3种电池的成本估算。因此，相较于锂离子电池，钠离子电池和钾离子电池具有资源与成本的明显优势，在规模储能领域更具有应用潜力[3-6]。

表1 锂、钠和钾的基本性质与电化学性能比较

表2 锂离子电池、钠离子电池和钾离子电池成本估计

然而，由于钠、钾的离子半径（分别为1.02 Å和1.38 Å，1 Å=0.1 nm）较大，在传统无机晶格中嵌入/脱出困难。因此，选择合适的电极材料是钠离子电池和钾离子电池研究中的关键问题之一。有机电极材料具有柔性骨架，且电化学反应过程是基于活性中心的电子转移反应，对阳离子半径的限制较小，适用于多种金属离子二次电池，如锂、钠、钾、镁等[7-9]。此外，有机电极材料具有原料来源广泛、成本低廉等优势，构建以有机材料为工作电极的高比能、环境友好的新型钠（钾）离子电池，是未来“绿色电池”发展的重要方向。

目前有机电极材料主要可分为羰基化合物、有机硫化物、导电聚合物、氮氧自由基化合物这4类，其中羰基化合物材料具有电化学反应活性强、理论比容量高等优点，在钠、钾离子电池领域被广泛研究[10-11]。本文介绍了羰基化合物电极材料的电化学氧化还原反应机理、分类及其在钠（钾）离子电池中的研究进展，重点探究了羰基化合物材料所面临的问题以及解决方法，并对其进一步发展和应用前景进行了展望。

1 羰基化合物电极材料的电化学反应机理和类型

羰基化合物的氧化还原反应机理为羰基（C==O）的烯醇化反应，每一个C==O单元对应于一个电子的得失。以苯醌（BQ）为例[12]，如图1(a)所示，在放电过程中，结构单元中的两个羰基分别发生一个电子的得失，生成二价阴离子，并与金属阳离子（Li、Na或K）结合。此外，烯醇化反应的动力学速率快，因此羰基化合物具有较高的电化学反应可逆性。

根据官能团差异，羰基化合物电极材料主要可分为醌类、酰亚胺类和共轭羧酸类3大类（图1）[13]。①醌类化合物结构中的羰基一般位于共轭芳香环的邻位或对位，在钠离子电池和钾离子电池中的氧化还原电位约为1～3 V（. Na+/Na或K+/K，下文同）。此外，醌类化合物理论比容量高，有望成为高能量密度的有机正极材料；②酰亚胺类化合物一般具有较大的芳香共轭平面，结构中有4个羰基，且均具有电化学活性，充放电区间为0.5～2.5 V。然而，如果酰亚胺材料结构中的4个C==O双键均发生还原反应，会引起电荷的排斥作用，造成结构的不可逆破坏。因此，通常情况下，将酰亚胺类材料的氧化还原电位限制在一个较高的范围（1.0～2.5 V），从而只发生2个C==O的烯醇化反应，保证了材料在充放电过程中的结构稳定性。因此酰亚胺类材料多用于二次电池正极材料，比容量一般不超过250 mA·h/g；③共轭羧酸盐类化合物结构中位于羧基中的C==O可以进行可逆的氧化还原反应。由于具有供电子基团—OM（M=Na、K），共轭羧酸盐类材料的充放电电压一般低于1 V，因此多作为二次电池的负极材料使用。

图1 三类羰基化合物的典型结构和储钠/钾机理

图2 钠/钾离子电池中3类羰基化合物的理论比容量和工作电压

2 羰基化合物电极材料的储钠/钾性 能、存在的问题及解决方法

羰基化合物早在1969年就被作为电极材料用于二次电池的研究[14]，进入21世纪以来，逐渐成为了最热门的有机电极材料之一。目前，用于钠/钾离子电池中的羰基化合物电极材料主要有小分子羰基化合物和羰基聚合物两大类。小分子羰基化合物包括简单醌类、含取代基的醌、oxocarbon 类盐、二酐、酰亚胺及其盐类、共轭羧酸盐类及其衍生物等几种类型，如表3所示。而羰基化合物的聚合物主要有聚硫醌类、聚酰亚胺等，如表4所示。羰基化合物具有巨大的发展潜力，但现阶段的研究仍面临以下几个难题：①循环稳定性不佳：小分子羰基化合物在电解液中存在不同程度的溶解现象，使材料容量衰减较快；②电子电导率低：多数羰基化合物固有导电性较差，使材料倍率性不佳；③工作电压偏低，大多数羰基化合物电极材料的工作电压在0.6～2.2 V（. Na+/Na或K+/K）之间，作为正极材料时电压偏低，从而限制了电池体系的整体能量密度。

针对上述羰基化合物有机电极材料所存在的问题，目前研究者们通过分子结构设计、制备复合材料及改良电解液等多种方法进行改进。

表3 一些典型的小分子共轭羰基化合物的分类、结构和理论比容量

续表

表4 羰基化合物的聚合物分类、结构和理论比容量

续表

类别典型结构及理论比容量 三维聚酰亚胺类[47]

2.1 改善羰基化合物电极材料在电解液中溶解问题

改善羰基化合物电极材料在电解液中溶解问题的主要方法包括制备小分子羰基化合物的金属盐、聚合方法、与碳材料复合及改良电解液等。

制备小分子羰基化合物的金属盐以形成“无机-有机”杂化材料，可增加羰基化合物的极性以抑制材料在有机电解液中的溶解。其中，具有代表性的有羰基化合物的羧酸盐（—COONa，—COOK）、磺酸盐（—NaSO3）和烯醇盐（—ONa，—OK）等，这些小分子羰基化合物金属盐通过O—M…O（M=Na、K）螯合键相互偶联可以形成特殊三维结构。例如，PARK等[32]发现对苯二羧酸钠（Na2TP）具有NaOO无机层和苯环有机层交替组成的层状结构。该材料工作电压在0.5 V（. Na+/Na）左右，可逆比容量为295 mA·h/g，经90周充放电循环测试后容量保持率为90%，是一种循环稳定性优良的有机负极材料。ZHAO等[19]报道了1,5-二磺酸钠蒽醌（AQDS）在钾离子电池中的电化学性能。在前100周的充放电循环测试中，AQDS在电解液中的溶解现象较蒽醌（AQ）明显改善。但是，分子量较大的磺酸盐基团的引入将降低材料的容量。因此，AQDS的可逆比容量仅为78 mA·h/g。

相对而言，羰基化合物烯醇盐分子量较小，通过增加活性羰基数目，可以有效地提升电极材料的容量。2016年，陈军课题组[24]报导了一系列小分子oxocarbon类金属盐[M2(CO)；M= Li、Na、K；=4、5、6]在锂、钠、钾离子电池中的电化学性能。研究显示，M2(CO)6可以可逆地嵌脱4个金属阳离子，Na2C6O6的理论比容量高达500 mA·h/g。此外，K2C6O6在0.1～2.5 V（. K+/K）的电压区间内发生两个K+嵌脱反应时，可逆比容量为164 mA·h/g，且倍率性能优异。该工作首次以K2C6O6作为正极，其放电产物K4C6O6作为负极，利用材料不同金属盐的电压差组合成了“摇椅”式钾离子有机全电池（图3）。该电池的工作电压为1.1 V，能量密度达35 W·h/kg。

把小分子羰基化合物单体聚合为大分子聚合物，也是改善羰基化合物在电解液中的溶解性问题的一种有效策略。其中，聚硫化醌类和聚酰亚胺类在钠（钾）离子电池中的研究最为广泛。

聚硫化醌类材料可通过菲利普斯方法（缩聚反应）制备。在钠离子电池中，聚硫化蒽醌（PAQS）[39]在1600 mA/g的大电流密度下进行测试时，可逆比容量达190 mA·h/g，相应的材料活性约85%，且经过200周充放电循环测试容量几乎保持不变。

聚酰亚胺类材料一般由二酐单体和二胺单体通过氧化还原法聚合得到，其中二酐单体主要有1,2,4,5-均苯四甲酸二酐（PMDA）、1,4,5,8-萘四甲酸二酐（NTCDA）和3,4,9,10-苝四甲酸二酐（PTCDA），而二胺则有水合肼（N2H4·H2O）、乙二胺（EDA）和1,4-二氨基苯（pPDA）等。WANG等[42]研究发现，PTCDA基聚酰亚胺材料（PI-6）在钠离子电池中具有优异的循环稳定性，在200 mA/g的电流密度下进行充放电循环测试5000周后，容量保持率为87.5%。而LI等[47]通过将PMDA、NTCDA和三聚氰胺聚合得到了三维网状聚酰亚胺材料（PI-9、PI-10），进一步提高了该类电极材料的结构稳定性。PI-10在5 A/g的大电流密度下经1000周充放电循环测试后，储钠容量为88.8 mA·h/g。

然而，合成羰基化合物的聚合物时，常常会引入没有电化学活性的偶联单元，使电极材料的分子量增加而导致理论比容量降低。以电化学活性的官能团为偶联单元，可以有效解决这一问题，获得高容量的羰基聚合物有机电极材料。XU等[45-46]将PMDA、NTCDA与二氨基蒽醌合成了聚酰亚胺材料（PAQI-1、PAQI-2）。该类材料在1.5～3.5V （. Na+/Na）的电压区间内，4个羰基均可以发生烯醇化储钠反应，PAQI-2的可逆比容量达到192 mA·h/g。

图3 基于KXC6O6的“摇椅”钾离子全电池及性能（a）负极材料充放电曲线；（b）正极材料充放电曲线；（c）全电池测试曲线[24]

值得注意的是，部分聚酰亚胺类有机电极材料的工作电压在1.0～2.5 V（. Na+/Na）左右，可作为水系钠离子电池电极材料使用。本课题组[44]合成了一种基于NTCDA和pPDA与多壁碳纳米管（MTCNTs）复合的聚酰亚胺材料（PI-3/CNTs）。该复合材料在水系钠离子电池中的工作电压为-0.65 V（. SCE），在1 A/g的大电流密度下可逆比容量为110 mA·h/g。该工作对于发展安全的水系钠离子电池有机电极材料具有参考价值。

此外，电解液对于羰基化合物的电化学性能影响显著。例如，在钾离子电池中，聚硫化蒽醌（PAQS）在醚类电解液中的循环稳定性明显优于酯类电解 液[40]。因此，选择合适的电解液、优化电池体系有助于进一步提高羰基化合物电极材料的电化学性能。GUO等[15]制备了一种高浓度的CF3SO3Na（NaTFS）/三甘醇二甲醚（TEGDME）电解液。研究表明，蒽醌/有序介孔碳（AQ/CMK-3）复合电极材料在该电解液中的可逆容量随着钠盐浓度增加而提高。

2.2 提高羰基化合物电极材料的导电性

目前，研究者们主要通过分子结构设计和包覆碳材料两种方法来提高羰基化合物电极材料的导 电性。

分子结构设计法主要通过增大羰基化合物的共轭结构以提高材料的固有电子导电性。ANDRZEJAK等[48]通过密度泛函理论（DFT）对比了PMDA、NTCDA和PTCDA的电子结构。研究表明，随着芳香共轭平面的增大，材料的最低未占据轨道（LUMO）能级降低，最高占据轨道（HOMO）能级增加。因此，PTCDA的LUMO和HOMO能级差（g）最小，电子导电性最好。该研究为设计高导电性的共轭羰基化合物电极材料提供了理论 指导。

但是，该方法对羰基化合物电极材料导电性的提高有限，且具有大共轭平面的羰基化合物的合成方法往往较为复杂。现阶段，研究者们普遍采用将羰基化合物与导电碳材料复合，以提高活性材料的电子电导率。此外，羰基化合物/导电碳复合材料的的制备方法（如超声分散法等）相对简单，更容易大规模实际应用。使用较多的导电碳材料为有序介孔碳（CMK-3）[15-16]、还原氧化石墨烯（RGO）[17]和碳纳米管（CNTs）[44]等。WANG等[17]从核桃果皮中提取了一种具有电化学活性的小分子羰基化合物胡桃醌（Juglone），并通过简单的自组装方法制备了一种无需黏结剂的胡桃醌/RGO复合电极材料（图4）。RGO上的π-π共轭结构对胡桃醌具有非共价固定作用，不仅提高复合电极的导电性，同时抑制了活性物质在电解质中的溶解，有效提高了活性物质的利用率。该复合电极材料的可逆比容量高达305 mA·h/g，在200 mA/g的电流密度下循环100周后，容量保持在280 mA·h/g，在400 mA/g的电流密度下，可逆容量为210 mA·h/g。这种生物质电极材料是目前有机电极材料的发展重点，有望在下一代绿色可再生的储能设备中广泛应用。

图4 Juglone/RGO的（a）合成示意图；（b）储钠机理及电子传输过程；（c）循环性能[17]

2.3 调节羰基化合物电极材料的工作电位

有机化合物的物理化学性质与其分子结构密切相关，通过调节分子的化学组成可以实现对其氧化还原电势的可控调节。现阶段，研究者们通常采用基团接枝和杂原子取代两种方式调节羰基化合物的氧化还原电势。

在有机电极材料的分子结构中引入吸电子基团或供电子基团，可以有效调节其电子能带结构，提高或者降低氧化还原电势。如在羰基化合物中引入吸电子基团，可以降低其最高占有分子轨道（HOMO）和最低未占有分子轨道（LUMO）的能级。对于羰基化合物而言，LUMO能级越低，对应的嵌Na电势越高；反之，在羰基化合物中接枝推电子基团，其HOMO能级与LUMO能级均升高，对应的化合物氧化还原电势降低。常见的吸电子基团有卤代烃（—F、—Cl、—Br）、氰基（—CN）、磺酸钠基（—SO3Na）和硝基（—NO2）等，推电子基团为烯醇基（—ONa）和氨基（—NH2）等。KIM等[18]通过密度泛函理论（DFT）计算了系列苯醌（C6H4O2）的卤代烃衍生物C6Br4O2、C6Cl4O2、C6F4O2的电子能带结构。计算结果表明，随着取代基电负性的提高（F > Cl > Br），化合物的LUMO能级依次降低，氧化还原电位依次升高（C6F4O2> C6Cl4O2> C6Br4O2）。之后，在钠离子电池中测试了上述材料的电化学性能，其中氟代苯醌（C6F4O2）的嵌钠电势最高（2.9 V. Na+/Na），与计算结果相符。同样，对比对苯二甲酸钠衍生物（Na2TP），其氧化还原电势同样符合这个规律。几种嵌钠电势从高到低为：4F-Na2TP＞NO2-Na2TP＞Br-Na2TP＞NH2-Na2TP＞(ONa)2-Na2TP[32,35-36]。

通常来说，取代基的分子量通常较大，取代基的引入将会增加羰基化合物的分子量，从而降低其理论容量。为了解决这个问题，研究者们尝试用电负性较强的原子（如O、N、S等）取代羰基化合物中的碳原子，不仅可以有效调节化合物的能带结构，同时不会引起化合物分子量的较大改变[37,49]。如对苯二甲酸钾（K2TP）苯环中的一个碳原子被氮原子替代得到的1, 5-吡啶二甲酸钾（K2PC）的工作电压相对于K2TP提高了0.1 V左右，且理论比容量为221 mA·h/g[37]。

3 羰基化合物电极材料存在的关键基础科学问题、技术挑战以及必要性

在研究羰基化合物电极材料作为新型钠钾电池时，会遇到各种各样的技术挑战。例如，如何设计和调控材料和电极的结构，获得循环稳定的电极材料？如何保证循环过程中电池内部电化学反应环境的稳定性，实现电池的长寿命？如何消除电池内部的失控反应，确保电池系统的安全性？为解决这些技术发展的问题，需要阐明并解决关键科学问题和技术挑战。此外，根据实用化对电极材料技术参数的要求，阐述羰基化合物作为新型电池电极材料的竞争力和必要性。

3.1 关键科学问题

3.1.1 电极微纳结构设计与材料反应性质的调控

羰基化合物（例如醌类）是这一类潜在的高容量化合物，由于电化学可逆性差、反应中间产物溶解流失，一直难以作为活性正极材料；很多羰基化合物导电性不佳，离子电子传输动力学缓慢，循环稳定性差。因此，如何通过设计新型电极结构，创建新的反应环境、有效利用活性材料，是发展和创建低成本、高性能钠钾电池的关键科学问题。原则上，通过微纳尺度限域反应的结构设计，可以使传统的反应组分固定化，通过固体电解质的应用，可以解决反应产物的溶解流失，实现长寿命循环；通过电极结构内部反应界面的优化可以改善离子传输动力学，提高电池的功率性能[50-51]。

3.1.2 电极/电解质界面的结构修饰与功能调控

众所周知，金属钠和钾的反应活性都很高，在研究材料时，电解质的选择往往影响材料的性能。而电极和电解质的界面反应决定了电池性能，不同的应用对于界面的结构与性质要求不同。如何实现界面结构的功能化调控，构建电极界面膜和特定界面，是构建高性能、长寿命电池所涉及的一个共性科学问题。建立稳定的“固/固”反应界面，解决传统“固/液”界面的不稳定问题，实现稳定的高容量储能反应；通过控制界面微结构的演变与动态自修复，实现高效率充放电循环，解决二次电池的长寿命问题。

3.1.3 电池反应的安全性控制机理

安全可靠性是储能电池应用发展必须解决的首要问题。很多羰基化合物具有可燃性，同时易燃有机电解质的使用，使电池在热冲击、内部微短路等极端条件下容易发生起火、爆炸等危险性事故。因此如何建立自发的、可靠的安全性控制机理，确保整个生命周期的安全性，是储能电池工程应用的关键科学问题。建立一种能够根据电池内部微区温度变化和界面电势变化，随时调节反应电流、并快速切断危险性副反应的机制，可以从反应原理上保证单体电池的安全性。此外通过发展阻燃性电解液，以及水溶液和固态电解质，可能会有效解决有机溶剂电池的安全性问题。

3.2 技术挑战

3.2.1 羰基类材料的可控制备

很多羰基小分子化合物极易在电解液中溶解，因此为了兼顾动力学和稳定性要求，材料结构设计复杂，需要严格控制元素组分，控制形貌、尺寸、孔的结构。然而实用化的电池对成本要求极高，为了降低成本，采用工序简单、可规模制备、易于工业放大的合成路线，选择最廉价合适的前驱体，制备过程绿色环保，是十分必要的。这要求能够针对每类材料，发展出可控制备的方法，这是具有挑战性的技术问题。

3.2.2 电池材料综合技术指标的优化

每一种储能应用指标体系有不同的侧重，因此需要发展最适合该种应用、技术经济性最高的储能电池，这可以通过选择不同的材料体系来实现。在应用时往往受制于性能最低的一项指标，而不是单一指标最高的材料体系。虽然很多高能量密度材料已被广泛研究，但目前仍然存在一些技术障碍，尤其是循环性、倍率特性、充放电效率、安全性、体积变化。由于不同的技术指标存在关联性甚至互相矛盾，因此需要寻找适合的方法来平衡和优化技术指标设计。

3.2.3 电池材料的先进表征与理论模拟技术

电池在应用时需要考虑很多的技术指标，不同的需求有不同的要求。而电极材料的结构特性、动力学特性以及电池性能之间存在复杂的关系，同时电极材料结构演化的过程受电池充放电制度、倍率、充放电深度、电解液、工作温度、电极结构等因素的影响，因此，全面系统地、准确地理解电池中材料表现的各类构效关系仍然面临着很大的挑战，需要综合先进表征与理论模拟技术来全面了解电池材料在应用时的不同表现。但是任何一种表征技术都有其特定的精度范围、针对的研究尺度以及测量成本，选择合适的研究方法并能准确的理解实验结果内含的信息在实际研究中对研究人员始终是艰巨的挑战[52-53]。在实验方法蓬勃发展的同时，理论计算也在不断前进。一方面通过计算模拟设计羰基化合物的结构，预测材料的电压以及解析氧化还原机制都是十分裨益的；另一方面，可以结合实际测量的数据，对大批量生产、一致性较好的电池进行全寿命周期、各类工况、滥用条件下电池行为的模拟，获得可靠的数据、模型、数据库、算法，从而为电池管理系统提供可靠的数据和方法。然而由于材料结构和储能体系的复杂性，使得理论计算模拟非常有挑战性[54]。

3.3 竞争力和必要性

3.3.1 高容量

羰基化合物具有高的理论比容量如苯醌（496 mA·h/g）、Na2C6O6（500 mA·h/g）、Na2C4O4（339 mA·h/g）以及PBQS（338 mA·h/g）等，而无机电极材料受制于大的框架很难突破容量的限制。然而，由于小分子的溶解性，使其循环寿命不佳，因此获得一种循环稳定的长寿命羰基电极是急需的。

3.3.2 结构电压可调

羰基化合物的工作电压在0.6～2.2 V（. Na+/Na或K+/K），作为正极使用时，电压偏低，但是可以通过分子结构设计来提高电压，如氟代苯醌（C6F4O2）的电压可以达到2.9 V（. Na+/Na）。作为负极使用时电压约为0.5 V（. Na+/Na），容量约为300 mA·h/g，是一种有潜力的钠电负极材料。通过调节分子结构可以来调节电压，但是目前很多结构理论上可行，但是实际合成的方法仍需要不断的 完善。

3.3.3 环境可持续

我们知道有机化合物只含有C、H、O、N等元素，而这些都来源于自然界，也可以回归自然界重新被利用。例如胡桃醌，它是一类萘醌化合物，来源于核桃的根皮树皮叶子中，而这些都是农业生产的废料，合理利用不仅拓展储能体系电极材料的选择，而且对于环境的可持续性也是有一定益处的。

4 结 语

羰基化合物电极材料具有理论比容量高、分子结构可设计性好及原料来源广泛等优点，在钠（钾）离子电池中表现出良好的电化学性能。然而现阶段羰基化合物电极材料还存在着诸多问题，通过进行结构合理设计、界面有效调控以及安全性控制的基础科学问题的研究，结合材料可控制备、技术指标优化以及先进表征结合计算模拟技术的应用，我们相信基于高性能羰基化合物电极材料的下一代低成本、绿色可持续的钠（钾）离子电池将有望成功构建并应用于规模储能领域。

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Conjugated carbonyl compounds as electrode materials for sodium-ion/potassium-ion batteries

LIU Mengyun1,2, GU Tiantian1,2, ZHOU Min1, WANG Kangli1, CHENG Shijie1, JIANG Kai1

(1School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China;2School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China)

Sodium (Potassium)-ion batteries are promising battery systems for large-scale energy storage applications owning to the low cost and resource abundance. However, the relatively larger radius of sodium (potassium) ions hinders the development of Na (K)-host materials. The organic electrode materials, especially carbonyl compounds, have been considered as one of the most promising electrode materials for SIBs and KIBs due to the structural diversity, high theoretical specific capacity and environmental friendliness. Moreover, the flexible frameworks demonstrate less restriction on the cation sizes. Therefore, constructing sodium (potassium) ion batteries based on organic carbonyl compounds are highly desirable for the next generation of “green batteries”. This review offers an introduction on the classification, Na/K-storage performances and mechanisms of the organic carbonyl compounds, emphasizing on the existing problems and resolution strategies. Finally, the basic scientific problems, technical challenges and competitiveness of carbonyl compounds as electrode materials for Sodium (Potassium)-ion batteries are summarized, and the application of carbonyl-based organic electrode materials for large-scale energy storage applications are also forecasted.

sodium-ion batteries; potassium-ion batteries; organic electrode materials; conjugated carbonyl compounds

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0098

TM 911

A

2095-4239（2018）06-1171-11

2018-06-20；

2018-09-10。

国家自然科学基金项目（21503084，51622703）。

刘梦云（1993—），女，硕士研究生，主要研究方向为有机二次电池材料，羰基化合物，E-mail：myliu@hust.edu.cn；

蒋凯，博士，教授，研究方向为面向电网的大规模储能技术，E-mail：kjiang@hust.edu.cn。