双氰基修饰有机小分子正极材料PTCDA-2CN实现锂离子电池高工作电压

为解决有机正极材料工作电压偏低的问题，研究人员设计合成含双氰基电子 withdrawing 基团的PTCDA-2CN新型正极材料。该材料将放电中值电压提升至2.8 V（vs. Li），较PTCDA提高≈0.3 V，在锂离子半/全电池中展现121 mAh g?1理论比容量及91%循环稳定性，为n型有机正极体系提供了电压突破新策略。

　　

在锂离子电池领域，传统有机正极材料苝四甲酸二酐（PTCDA）虽具有130 mAh g^?1的理论比容量，但其≈2.5 V（vs. Li）的工作电压制约了能量密度提升。最新研究通过精准分子工程，在PTCDA骨架引入两个强吸电子氰基（-CN），成功构筑1,7-二氰基苝四甲酸二酐（PTCDA-2CN）。

这种巧妙的化学修饰使材料最低未占分子轨道（LUMO）能级显著降低，将放电平台电压推升至≈2.8 V，增幅达≈0.3 V。密度泛函理论计算证实，氰基的强吸电子效应有效增强了羰基活性位点的锂存储能力。尽管分子量略有增加，PTCDA-2CN仍保持121 mAh g^?1的高理论容量。

电化学测试显示，该材料在100次循环后容量保持率达91%，石墨负极（LiC₆）匹配的全电池体系更展现出2.7 V的中值电压和116-98 mAh g^?1的实用化容量。这项研究为突破n型有机正极材料（n-type organic cathodes）的电压瓶颈提供了创新思路，其分子轨道能级调控策略对高能量密度储能器件开发具有重要启示。