天津大学/华南理工大学，Nature！

研究背景

锂离子电池目前主要依赖有限的矿物类无机材料，随着资源枯竭和环保压力增大，开发可持续、可回收且环境友好的有机电极材料成为重要替代方案。

关键问题

目前，有机电极材料的开发主要存在以下问题：

1、有机材料溶解与低电导率瓶颈

有机活性材料易溶解于液体电解质，且电导率极低（10^-13 至 10^-5S cm^-1），需添加大量导电碳（20-70 wt%），极大限制了活性物质负载量和电池能量密度。

2、n型导电聚合物性能不足

虽然导电聚合物可减少导电剂使用，但现有n型导电聚合物通常电导率低、电化学动力学差，难以实现Ah级容量的实用有机电池。

新思路

有鉴于此，天津大学徐运华和华南理工大学黄飞等人报道了一种利用n型导电聚合物正极聚苯并二呋喃酮(PBFDO)构建的实用有机电池，该材料具有优异的离子-电子混合传输性能和低溶解度。PBFDO 正极在整个电化学过程中保持其 n 型掺杂状态，表现出稳定可逆的氧化还原特性、高电导率和显著的锂离子扩散系数，无需额外添加导电助剂。因此，实现了质量负载高达 206 mg cm^-2的超高负载量聚合物正极，提供 42 mAh cm^-2的高面容量并展示了强健的循环稳定性。此外，制造了实用的 2.5 Ah 锂-有机软包电池，实现了 255 Wh kg⁻¹ 的能量密度。值得注意的是，该导电聚合物正极在 -70 °C 至 80 °C 的宽温度范围内运行高效，并表现出优异的柔韧性和安全性，标志着在极端条件和可穿戴电子产品应用中的巨大潜力。

技术方案：

1、研究了PBFDO的微观结构与混合离子-电子传输

PBFDO平面共轭主链促进紧密堆叠，电导率达2000 S cm⁻¹，锂离子扩散系数1.8×10⁻⁸ cm² s⁻¹，高掺杂确保了高效传输，热稳定性优异。

2、证明了超高负载量电极与极端条件下的卓越性能

PBFDO电极在206 mg cm^-2超高负载下实现42 mAh cm^-2面容量，兼具优异机械柔韧性和宽温域适应性（-70°C至80°C）。

3、演示了实用化的 Ah 级软包电池

PBFDO软包电池全电池能量密度达255 Wh kg⁻¹，针刺测试通过无起火，-60°C保持80%容量，兼具高能量密度、本质安全性与极端环境适应性。

技术优势：

1、开发了高性能n型导电聚合物PBFDO

该聚合物具有高度n掺杂的共轭骨架，实现了创纪录的 2000 S cm^-1 电导率和优异的锂离子扩散能力，彻底摆脱了对导电添加剂的依赖。

2、刷新了有机电池实用化指标

研究实现了 206 mg cm^-2的超高负载量和 255 Wh kg^-1的 Ah 级软包电池，同时具备极高的安全性（过针刺不冒火）和极宽的工作温度范围。

技术细节

微观结构与高效的混合离子-电子传输

PBFDO 特有的平面共轭主链由于不含侧链，能够促进紧密的链间堆叠和强烈的分子间相互作用。 通过 XRD 和 HRTEM 表征发现，其具有明显的晶体有序结构，π–π 堆叠间距为 0.33-0.34 nm，层状堆叠间距为 1.03-1.04 nm。 这种高度 n 掺杂的框架为电子和锂离子提供了高效传输路径。实验显示，原生 PBFDO 薄膜（约 90% 掺杂水平）的电导率高达 2000 S cm^-1，锂离子扩散系数达 1.8 × 10^-8cm² s^-1，这些指标超越了此前报道的所有有机和无机正极材料。 研究进一步通过化学和电化学去掺杂实验证明，高掺杂水平对维持高效传输至关重要。即使在 3.5 V 的完全脱锂状态下，PBFDO 仍能保持超过 600 S cm^-1 的电导率，确保了电化学反应的持续高效。 理论计算也证实，随着掺杂水平提高，能隙减小且锂离子扩散系数显著增加，验证了 n 掺杂在增强离子-电子协同传输中的关键作用。 此外，该结构表现出优异的热稳定性（耐受 200 °C），为高温应用奠定了基础。

图  高性能有机电极材料的设计策略

图  PBFDO的有序结构与导电性能

超高负载量电极与极端条件下的卓越性能

基于 PBFDO 优异的混合传输特性，研究团队成功制备了无需任何导电助剂的高负载电极。 实验表明，即使在 206 mg cm^-2的超高活性物质负载下，电极仍能保持 200 mAh g^-1 的可逆比容量，面容量达到惊人的 42 mAh cm^-2，这远远超过了商业化的无机正极（通常为 10–30 mg cm^-2）。 传统有机材料随负载增加性能急剧下降的问题在此被有效解决。此外，PBFDO 电极表现出极佳的机械柔韧性，在 75,000 次弯曲循环测试后仍无损坏，并能承受 100% 的拉伸变形，这使其非常适合可穿戴电子设备。 在极端环境测试中，该正极显示出惊人的适应性：在 -70 °C 极低温下仍能提供 105 mAh g^-1 的容量，在 80 °C 高温下则达到 150 mAh g^-1 并保持稳定循环。 相比之下，商业无机电池在极低温下往往动力学失效，在高温下则面临金属离子溶解和结构坍塌。 这些结果证明了 PBFDO 作为全天候、高性能有机储能材料的巨大潜力。

图  PBFDO阴极的表征及电化学性能

储能机制与实用化的 Ah 级软包电池

PBFDO 的储能机制源于丰富的羰基活性位点。 在放电过程中，羰基（C=O）还原为烯醇盐（C–O–Li），充电时则发生逆向反应；关键在于电池中保留了约 20% 的质子化羰基，使聚合物在充放电循环中始终处于 n 型掺杂的高导电状态。 基于这些优势，研究人员组装了 2.5 Ah 的锂-有机软包电池。该电池在全电池层面（含集流体、封装等全部质量）实现了 255 Wh kg⁻¹ 的能量密度，可与商业 NCM811 电池媲美，且远优于磷酸铁锂电池。 安全性方面，PBFDO 软包电池在充放电过程中几乎无体积膨胀，且成功通过了严苛的针刺测试，未发生起火或爆炸，展示了极高的结构稳定性和本质安全性。 此外，0.5 Ah 软包电池在 -60 °C 下仍能保持室温容量的 80%，证明了其在航空航天、极地考察等极端场景的实用价值。 这一成果打破了有机电池难以制造大容量、高能量密度电池的长期僵局，为低成本、安全、可持续的新一代电池技术开辟了可行路径。

图  实用锂离子PBFDO软包电池的电化学性能

展望

本文通过引入 n 型导电聚合物 PBFDO，成功克服了有机电极材料导电差、易溶解的瓶颈，实现了离子与电子的高效协同传输。 研究不仅在材料层面刷新了电导率和扩散系数的纪录，更在实用层面构建了高能量密度（255 Wh kg^-1）、长寿命且兼具极端环境耐受性与本质安全性的 2.5 Ah 软包电池。 这项工作为有机电池的大规模商业化应用提供了坚实的理论支撑与技术范式，预示着有机储能技术将在柔性电子和可持续能源领域发挥关键作用。

参考文献：

Li, Z., Tang, H., Liang, Y. et al. Practical lithium–organic batteries enabled by an n-type conducting polymer. Nature (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10174-7

已收藏 0

点赞 4