锂离子电池是一种非常重要的储能技术，广泛应用于各种便携式电子设备中，有望广泛应用于电动汽车、智能电网和分布式储能等领域，随着人类社会、信息、移动性和智能化的发展，迫切需要研制一种容量大、寿命长、成本低、安全性高的新型电池。

        最近，中国科学院院士、南开大学化学学院教授陈俊设计合成了一种超高容量锂离子电池有机正极材料环己六酮，创下了锂离子电池有机正极材料容量的世界纪录。有关研究成果发表在《德国应用化学》上。

高容量有机羰基正极材料的分子设计以及环己六酮的合成和反应机理

环己六酮反应机理的理论计算模拟

阴极是锂离子电池的缺陷

        锂离子电池的容量和能量密度受到正极的限制。陈军告诉"中国科学日报"："可以说，正极是锂离子电池的‘短板’。此外，现有锂离子电池正极材料中含有钴等金属元素。合成过程涉及选矿、冶炼、回收等技术，存在资源匮乏、环境污染等问题。"因此，高容量、可再生、绿色环保、低成本锂电池正极材料已成为当前这一领域的研究热点和重点。"陈军说。

        含碳、氢、氧等元素的有机电极材料因其结构设计、环保、廉价、丰富的优点而被认为是锂离子电池的下一代正极材料，但此类材料仍面临着实际容量低(<600mAh/g)、易溶于有机电解质等问题，导致能量密度低、容量衰减严重、循环寿命短，因此，如何设计和合成超高容量有机阴极材料，解决锂离子电池在电解质中的溶解问题，是锂离子电池面临的一个挑战。

        研究人员以环己六酮为靶标。该材料由6个羰基组成，没有非电化学活性结构单元，每个羰基都能参与电化学反应。因此，环己六酮在许多有机羰基阴极材料中表现出最高的理论比容量(957mAh/g)。

         陈军说："发展高容量锂离子电池正极材料可以不断增加电池系统的能量密度，从而延长电池的工作时间。”

突破：提高材料的容量和寿命

        在许多有机羰基正极材料中，环己六酮具有最高的理论容量，但很容易与水反应生成稳定的水合物，因此尚未成功合成。通过分析和探索，研究人员开发了一种新的脱水反应方法，通过准确控制脱水反应的温度和压力，成功地实现了环己六酮材料的合成。

        此外，就正极材料而言，循环寿命是决定其能否用于实际应用的一个重要因素。环己六酮作为一种有机小分子材料，很容易溶于以有机酯和醚为基础的锂离子电解质中，因而循环寿命较短。

        该论文的第一作者、南开大学博士卢勇在接受"中国科学日报"采访时说，为了解决这个问题，结合类似溶解度原理，研究小组采用了基于离子液体的电解质，经过一系列的优化，发现离子液体的极性越大，环己六酮的溶解度就越低。

        陈军指出，这种方法能有效地提高环己六酮的循环寿命，为环己六酮的进一步实际应用奠定了基础。他说，超高容量环己六酮的合成、配电解质的优化和材料寿命的提高是本研究的两大突破。

        研究人员对环己六酮在锂离子电池中的充放电反应机理和电化学性能进行了研究，结果表明，环己六酮的放电比容量可达902 mAh·g，是已知有机电极材料容量最高的材料，组装的电池也反映了电池寿命长的特点。

锂离子电池的"峰

        研究人员说，以环己六酮为正极的锂离子电池可以获得更高的电池容量和更长的寿命，这为锂离子电池在电动汽车、储能电网等领域的未来应用提供了支持。

        陈军指出，超高容量锂离子电池用环己六酮正极材料的合成和锂离子电池的应用，将有机正极材料的能量密度提高到一个新的水平。"具体而言，环己六酮的能量密度高达1533 Wh/kg。"陈军认为，进一步优化仅含高丰度碳氧元素的高能量密度环己酮材料，有利于实现其大规模的实际应用，为今后高容量有机电极材料的设计、制备和电池应用提供了新的思路。