華南理工/天津大學《Nature》：有機鋰電池研究重大突破！

日前，發光材料與器件全國重點實驗室黃飛教授團隊與天津大學許運華教授團隊等合作，首次成功制備出高負載有機電極并研發出能量密度突破250 Wh/kg的有機軟包電池，相關研究成果在Nature發表。

論文截圖

許運華教授與黃飛教授為該文章共同通訊作者天津大學博士研究生李振飛與華南理工大學副教授唐浩然為共同第一作者。

INTRO

背景介紹

在全球科技革命與能源結構轉型的雙重驅動下，鋰電池作為現代能源體系的"能量心臟"，其戰略價值持續凸顯。

在國家“雙碳”目標引領下，開發出兼具高安全、高比能、環境友好特征的新型電池技術，已成為全球科研與產業界關注的焦點。本研究成果中所制備出的電池，能量密度已媲美商業化磷酸鐵鋰電池，并具備在-70℃至80℃超寬溫域內穩定工作的優異環境適應性，兼具良好的柔性及本質安全性。

本研究得到了教育部基礎學科和交叉學科突破計劃、國家自然科學基金、中國博士后基金、中央高校基本科研業務費項目以及騰訊新基石科學基金科學探索獎的支持。這也是黃飛團隊在導電高分子領域取得重大突破之后，再一次在Nature上發表高水平科研成果。

相較于傳統的鋰電池

除了環境友好、更加安全、更高性能

本研究又有哪些值得一探究竟的

“硬核”技術呢？

01

光電高分子技術

助力突破傳統鋰電池技術瓶頸

目前，商用鋰電池多采用鈷、鎳等無機礦物作為正極材料，面臨資源緊張、安全性不足及柔性差等挑戰。

相比之下，有機電極材料來源廣泛、結構可設計、具有本征柔韌性，被視為下一代綠色電池的理想候選材料。然而，其本征導電性差，面臨難以實現高負載電極制備等問題，長期制約其實用化進程。

光電高分子兼具無機半導體的光電特性與有機高分子的加工、柔性等優勢，已成為全球科技與產業競爭的核心領域之一。

黃飛教授團隊長期致力于光電高分子研究，于2022年創新性提出“氧化聚合-還原摻雜”相結合的合成新策略，成功制備出兼具超高導電率與優異空氣穩定性的n型導電高分子聚（苯并二呋喃二酮）（PBFDO），實現n型導電高分子領域的重大突破（Nature, 2022, 611, 271），并為導電高分子基電解電容器的國產化提供了關鍵技術支撐。

在此基礎上，研究團隊歷經多年系統攻關，進一步系統調控材料主鏈的電子載流子和鋰離子的耦合行為，成功開發出兼具高電子導電率、高比容量以及高鋰離子擴散系數的有機正極體系，即高性能有機電極材料——PBFDO電極。

圖 1 高性能有機電極材料的設計策略

PBFDO電極的電導率超過2000?S?cm?1，鋰離子擴散系數高達10?8 cm2?s?1，可實現高達206?mg?cm?2的電極質量負載和超過42?mAh?cm?2的面容量（圖1c）。

此種高性能有機電極材料有效突破了傳統有機電極材料導電性差、高負載電極制備困難等關鍵技術瓶頸，展示了有機電極材料在實用化儲能系統中的可行性，標志著有機電池技術從實驗室研究向產業化應用邁出了實質性一步。

02

除了更高性能

我還能 Hold 住極寒與高溫！

研究團隊還進一步

成功制備出

安時級有機軟包電池的原型

——PBFDO軟包電池

圖 2 PBFDO軟包電池及電化學性能

該電池不僅在常溫條件下循環穩定，更展現出在極端溫度環境下的可靠工作能力，為下一代高性能、綠色可持續電池技術的發展開辟了新路徑。

目前，團隊正加快推進有機鋰電池的實用化進程。n型導電高分子PBFDO材料已獲國家重點研發計劃顛覆性技術創新專項論證支持，以及江海電容器、新宙邦等產業基金支持在聚镕光電（廣州）新材料科技有限公司實現產業轉化，面向全球100+科研院校/企業實現材料供應。

本文來自華南理工大學

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