十九世纪末人们首次实现了染料的合成，被认为是现代工业的开端。从那以后，人们发现相比于无机材料，有机材料能够通过精确的分子设计实现广阔的性质调控。对于目前的先进材料设计而言，有机分子能够通过模块化的设计实现满足多种多样的需求，包括低质量、溶解性、价格、生物兼容性、电导性等。

使用有机分子的领域包括光电材料、生物医药。目前主要使用无机材料的电池技术面临的局限性（包括充电时间、充电容量等），以及是否符合可持续发展需求以及无机材料具有的毒性, 因此有机分子被发现能够用于电池领域是个新机会。目前的Li电池通常使用层状结构材料，比如LiCoO­­₂和LiMn₂O₄作为正极材料，其中Li离子能够作为电荷载体，而且比较容易插层。

能够通过氧化还原反应进行结合Li的有机材料为Li电池提供一种新型选择，而且一些研究结果显示有机分子在Li电池中表现非常高的容量。但是，有机材料用于Li电池的问题在于有机材料的本征导电性和稳定性较差。近日，哥伦比亚大学Colin Nuckolls、Yuan Yang(杨远)、Zexin Jin等报道一种新型有机低聚物（结构精确的较短纳米带）能够克服有机材料的本征导电性/稳定性缺陷，为发展具有快速充电、长期稳定并且使用符合可持续发展前景的材料电池提供可能。

由于这项研究的重要意义，自然·材料编辑菲利普·鲍尔(Philip Ball)进行总结和评论。

本文要点

（1）

这种新型有机电极材料使用螺旋形的苝二酰亚胺hPDI[n]（helical perylene diimide），这种分子之前被应用于光传感器、光伏器件、有机晶体管等领域。分子的基本结构单元是多环芳香苝（由五个六元环构成的平面畴环共轭分子），其中分别在分子的顶部和尾部连接酰胺官能团。同时，多个芳香苝之间能够连接，从而形成含有环状共轭分子的带状结构，产生n-低聚体，命名为hPDI[n]。

（2）

这种分子中的每个酰胺官能团都能够与一个Li离子结合，同时高度共轭的分子结构使得其具有较好的导电性。但是，分子的n较小的时候，分子的尺寸较小，因此容易脱离到电解液中，导致充放电循环过程中快速衰减。合成具有更高n值的hPDI[n]的溶解性能够降低，因此作为电极材料更有优势。

作者通过溴化衍生物和硼酸酯衍生物之间的成环反应生成hPDI[4]、hPDI[5]、hPDI[6]，其导电性比n较小的hPDI提高了一个数量级。其中hPDI[6]在10000次充放电循环后基本上没有明显的容量损失，平均每次循环的容量损失仅为0.0017-0.004 %（在7.7-77 ℃）。相比而言，典型的锂电池循环寿命仅为300-500圈。此外，hPDI[6]构建的电池展示了具有竞争性的能量密度和电流密度，比如发现做成锂电池能够驱动电风扇。组装的锂电池能量密度达到28 kW kg^-1，性能比最好的商业电池高50倍。

参考文献

Philip Ball, A new twist for lithium batteries. Nat. Mater. 21, 993 (2022)

DOI: 10.1038/s41563-022-01362-7

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01362-7

Zexin 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, 13973–13980

DOI: 10.1021/jacs.2c06527

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c06527