日本關西學院大學與大阪大學組成的研究團隊發現，在採用有機物質作爲電極材料的鋰離子電池中，混合兩種有機分子的電極材料其特性遠遠高於只使用其中一種的電極。
鋰離子電池具備非常高的能量密度，因此被廣泛應用於智慧型手機等各種產品。不過，鋰離子電池的正極材料一般使用鈷等稀有金屬，業界正在廣泛探索採用成本更低的有機物質的電極材料。
目前，大量有機材料被作爲候選正極材料進行了研究，該研究團隊透過以1:1的比例混合兩種單獨使用時特性均比較低的有機分子，成功地大幅提高了其作爲電極材料的特性。研究人員認爲其終極因數是，透過混合兩種分子，能合理形成鋰離子可以進出的「縫隙」。另外還發現，透過混合兩種有機物質，材料的穩定性也得到提高。
作爲鋰離子電池的電極材料，研究團隊此次混合的兩種有機分子是中心攜帶正電荷的圓盤狀有機分子和攜帶負電荷的圓盤狀有機分子，開發了名爲電荷轉移錯合物的材料，研究發現，這種混合物作爲電極材料的特性較單一有機分子有了大幅提高。
研究人員認爲其終極因數是，有機分子整合的晶體中形成了鋰離子擴散的路徑。如圖1所示，採用單一的有機分子時，分子之間的電荷會相互排斥，形成緊密的結構。而本次研究發現，透過以1:1的比例混合攜帶不同符號電荷的分子，形成了兩種圓盤狀分子交互堆疊的圓柱狀結構，圓柱與圓柱之間的縫隙中可以吸入各種分子。另外，研究團隊還利用電荷轉移錯合物所具備的這種縫隙，成功開發了鋰離子能高速進出的大容量電極材料。
圖1：兩種分子形成的縫隙與分子攜帶的電荷的分佈。正電荷用藍色，負電荷用紅色表示。可以看出，兩種分子中心的電荷是相反的。
另外還應答，由於正負電荷之間的強相輔作用，抑制了電荷轉移錯合物在電解液中的溶解。研究團隊還利用大阪大學的電腦，成功估算了這種相輔作用的能量。
此次的成果證明，將兩種電極特性很低的有機物質混合，就能大幅提高電極材料的特性，這表明，以前被認爲特性很差的有機分子也可能作爲優異的電極材料使用，有望作爲新方法得到廣泛利用。
相關研究論文已於2019年11月30日發表在英國皇家化學學會發行的科學期刊《化學科學》（Chemical Science）的網路版上。
＜論文資訊＞
題目：「A new design strategy for redox-active molecular assemblies with crystalline porous structures for lithium-ion batteries」
DOI：10.1039/C9SC04175C
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
