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有机电池的当前和未来
一次性和可充电电池推动了电子设备和电动车的发展，而自1991年商用以来，锂离子电池（LIBs）因能量密度高、重量轻、寿命长而被广泛应用。但为了满足高比能、低成本、快充和宽温区运行等需求，LIBs 仍需突破瓶颈。有机电池作为替代方案，采用含碳、氢、氧、氮、硫等轻元素的有机电极材料（OEMs），具有结构可设计、重量轻、离子扩散快等优势。早在1969年就有人尝试使用碳酰类化合物（图1a），而2009年全有机电池的问世标志着性能大幅提升。通过分子设计，有机材料可实现高达957mAh/g 的比容量，超过传统锂电材料（图1b）。此外，调控材料为 n型、p型或双极性，还可实现正负极匹配，有利于快充与低温运行。尽管近年取得进展，但有机电池仍需克服稳定性和实用化等挑战在此，华中科技大学王成亮教授课题组从定量和机制两个层面，对有机材料与无机材料的本征特性进行了比较，并系统评估了有机电池与无机电池在电化学性能上的差异。有机材料因其分子间作用力弱（键能低于 100 kJ/mol）、质量轻（密度小于 2 g/cm³）、柔性高（杨氏模量低于 10 GPa）、离子扩散快（可达 10⁻⁸–10⁻⁹ cm²/s）、合成温度低（小于 200°C）以及潜在的高比容量，展现出在高比能、大规模、柔性器件和极端工况（如超快充电 >10C，或 −60°C 到 70°C 的宽温区）中的应用潜力。此外，有机电极材料具有高度可设计性，可根据不同应用需求灵活调控其性能。为了推动实际应用，还需要进一步优化电池组件和封装设计，尤其是在规模化制备时，应重视其可持续性、可扩展性及实际应用的标准、政策与法规等方面。相关成果以“Evaluating the present and future of organic batteries”为题发表在《Nature Reviews Clean Technology》上，第一作者为戴慧超, 冠林南为共同一作作者首先系统比较了有机电极材料与传统无机电极材料的内在特性，并分析这些差异对有机电池性能与应用的影响（图2）。首先，从原子和分子结构上看，有机材料通过范德华力、氢键等弱相互作用组装，结构松散，导致其密度较低；相比之下，无机材料多通过强共价、金属或离子键连接，密度更高。其次，OEMs 具备更高柔性，显著低于多数 IEMs（图2c），更适用于柔性储能器件。此外，有机材料中的离子扩散系数较大，远高于典型 IEMs（图2e），支持快速充电和大尺寸离子的稳定储存。在电导率方面，尽管有机材料本征导电性低（图2d），但通过掺杂或共轭结构可显著提升。图2f 显示，OEMs 的合成温度普遍低于 200°C，远低于 IEMs，意味着更低的能耗与碳排放。最后，从元素资源角度（图2g），OEMs 主要由地球丰度高的轻元素构成，更具可持续性。作者全面评估了有机电池在实际应用中的关键性能参数，并结合图3对其潜力与挑战进行了系统分析。首先，从质量比能来看，p型有机材料虽容量偏低（<200mAhg⁻¹），但电位高（>3V），仍可实现与无机材料相当的比能；而n型材料容量高（最高达957mAhg⁻¹），即使电压较低，也能实现超越传统材料的比能（图3a）。不过，有机电极材料通常需添加大量导电剂（30–60%），导致电极层整体比能下降（图3b）。此外，由于有机材料密度较低，其体积能量密度往往不如无机材料，仅部分高容量材料如多硫化物或环己六酮能达到可比水平（图3c）。在循环寿命方面，有机材料因结构柔软、体积变化小，理论上具有更长寿命，但小分子易溶于电解液，需通过扩展共轭结构、构建复合材料或使用聚合物形式改善（图3d）。对于快充能力，有机材料因离子扩散快、电导率提升快，普遍在高倍率（>10C）下仍能保持较高容量，如导电聚合物在90C下仍保有87.5%容量（图3e）。但这些数据多来自实验室条件，实际应用仍需评估其在低导电剂和低电解液条件下的表现。最后，在安全性方面，尽管有机材料热稳定性较差、热失控风险高，但可控的氧化还原容量有助于精确匹配正负极，避免过充过放，提高整体安全性。综上，作者指出有机电池具备高能量、高倍率与长寿命等潜力，但仍需在材料结构设计、电极组装与稳定性等方面持续优化。
作者从应用导向角度出发，系统分析了有机电池在不同场景下的性能优势与局限性，并通过关键指标如能量密度、功率密度、尺寸、成本、安全性与可回收性进行对比评估（图4a）。对于小型设备或追求高质量比能的场景，有机电池可能不占优势，但在特定应用中可作为无机电池的有力补充。尤其在大尺寸离子（如Na⁺、K⁺）或多价金属离子（如Mg²⁺、Zn²⁺、Al³⁺）存储中，传统无机材料因扩散慢、电极极化严重而表现不佳，而有机材料因结构柔软、空隙大、极化低，在多种电池体系中展现出稳定容量和更优适配性（图4b、4c）。此外，对于大规模储能如电网应用，有机材料的可调性使其更容易在水系电解液中工作，避免副反应，提升安全性和成本效益（图4d）。在柔性电子领域，有机电池可承受弯曲、拉伸等形变，适合用于可穿戴设备或植入式电子器件（图4e）。在极端环境下，OEMs 同样表现出色：相比传统锂电池在−40°C 容量骤降，有机材料在−80°C 下仍可保持超77%容量（图4f），同时在高温下也能避免结构坍塌与性能衰减。作者指出，这些性能上的多维适应性，使得有机电池在特定领域具备独特应用前景，值得进一步探索与优化。要推动有机电池从实验室走向实际应用，不仅需提升有机电极材料（OEMs）的性能，还需从材料到电池层级进行系统优化（图5）。在材料设计层面，研究者提出了多种策略以提升容量、电位、稳定性与导电性。例如，通过选择不同氧化还原基团（如羰基、硝基、偶氮等）可显著提升比容量；调控官能团位置与分子对称性，有助于提升电极电位与溶解稳定性，适用于多价离子或大尺寸离子储能系统。引入氢键网络或电子给/受体基团不仅能调控溶解度，还能增强电子导通性与结构稳定性。延展π共轭结构、提高氧化还原位点比例或聚合化处理亦可有效提高倍率性能和循环寿命。此外，构建电荷转移复合物或供-受体共聚物，有助于提升材料导电性；开发有序孔道结构的共价有机框架（COFs）和金属有机框架（MOFs），可实现高离子扩散、高容量与良好稳定性。尽管这些策略取得明显进展，但在合成工艺、材料密度与成本控制等方面仍面临挑战，尤其是 COFs/MOFs 的高孔隙率可能限制其体积能量密度。作者强调，只有将分子层面的设计与电池系统集成相结合，才能真正推动有机电池实现商业化应用。
尽管有机电极材料已被研究多年，但大多集中在半电池测试，距离真正实现有机电池的产业化仍有较大差距。因此，从实验室级的纽扣电池到工业级电池系统，需逐步解决多个层级的问题（图6）。在实验室阶段，需精准匹配正负极电位与容量比（N:P 接近 1），并通过优化导电剂、黏结剂、电解液等成分，提升活性材料负载量，降低无效成分比例。如采用高容量分子 TAPT构建软包电池，在合理参数下可实现高达 266 Wh/kg 的比能，未来有望提升至 368 Wh/kg（图6a）。进入产业化阶段，若采用金属锂负极虽可提升能量密度，但面临枝晶生长与安全风险；改用有机负极则面临容量偏低、需预锂化、电极加工复杂等挑战（图6b）。此外，电极厚度增加会导致电荷转移与离子扩散效率下降，需通过分子设计、纳米结构调控、导电网络优化等手段改善整体电化学性能（图6c）。为构建高性能工业级电池，作者提出多项策略（图6d），包括：开发高导电性有机材料、设计合理孔结构促进离子扩散、利用还原氧化石墨烯等构建高效导电网络、优化粘结剂与电极构造方式等。在电池系统层级，需解决有机材料密度低、体积大等问题，可通过提升堆积密度、开发薄膜电池、纤维电池或 3D 打印电池等方式应对（图6e）。结合固态电解质特别是聚合物电解质，有机电池还可实现柔性、微型、可穿戴等多样化形态。与依赖不可再生矿产资源的无机电池不同，有机电池的原料主要来源于可再生的天然资源，如生物质和代谢产物（图7）。这些天然资源经温和的化学转化后可作为有机电极材料使用，并通过与无机电池类似的工艺制备成电池。此外，有机电池未来还可发展出更适配其特点的组装工艺，尽量避免使用不可回收组件，提升易拆解与可降解性，降低碳足迹。尽管有机电池本身的碳排放较低，其退役后仍应被环保再利用，例如用于家庭储能、电动车充电站、电网备用电源等对容量要求较低的场景。作者提到，美国能源部 ReCell 中心提出了电池回收三原则：可回收设计、直接再生、组件回收。对于可溶性有机材料，可通过简单萃取实现高纯度、高回收率的再利用；而如集流体等不溶性部件也可多次循环使用。相比目前复杂且高能耗的无机电池回收过程，有机电池在环境与经济层面更具可行性。对于难以回收的部分材料，也可通过焚烧、填埋或微生物降解等方式处理，并借助光合作用实现碳循环闭环。这些特性显示出有机电池在绿色制造与可持续发展方面的独特优势。本文系统比较了有机电池与无机电池在比能量、循环寿命、快充能力等方面的差异，并指出有机材料凭借高比容量、良好柔性和可持续性，在大规模储能、柔性设备和极端环境中具有独特优势。然而，要实现产业化，还需从材料设计到电池系统全面优化，包括提升导电性、控制溶解性、匹配正负极、降低导电剂含量、提高电极负载等。同时，应发展原位和实时表征手段，深入理解储能机制，并建立更完善的评估体系与政策支持。声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！