1.引言
随着全球人口和经济水平的不断增长，工业化程度不断提高，人类对能源的需求总量大幅提升，但随之产生的过度开采、环境恶化以及重金属污染等问题也逐渐受到全球性的关注，刺激了能源市场对于环境，友好能量密度高，安全性好的储能材料的需求，并在此需求下衍生出了可循环使用的二次电池[1-4]。如锂离子电池就已经广泛应用在便携式电子产品、电动汽车和智能电网中，占据了电池产业约63%以上的市场份额。开发高效的储能技术至关重要，能有效缓解日益严重的能源危机环境问题。电化学储能技术，包括锂电池和超级电容器是当前主要的应用技术。在现有的二次储能体系中，电池的能量密度最高，同时具备质量轻、体积小等优点，成为大规模储能领域的研究重点。
有机化合物具有丰富的分子结构、低密度、柔性、低成本、可持续性等优点，因此很容易在分子水平层面上进行设计[5-11]。特别是含杂原子的芳香化合物，因其具有孤对电子，所以表现出优越的氧化还原活性，并可作为电活性有机电极来满足日益增长的能量存储和转换需求。到目前为止,已有大量的有机化合物作为锂离子电池的高活性电极材料被开发出来,如羰基化合物(C=O)，亚胺(C=N)化合物，聚合物和有机自由基类[12-14]。尽管这些有机化合物应用前景广阔，但它们在锂离子电池中的广泛应用仍受到其固有缺陷的限制。例如，这些有机化合物的活性位点有限，限制了其电化学动力学的提高。有机化合物在电解质中的溶解以及较差的结晶度导致了不理想的循环稳定性和不断下降的比容量。考虑到这些因素，研究人员花费了大量的精力来提高有机化合物基锂离子电池的循环稳定性和电化学动力学，目前有三种策略可供采用:(1)将电活性有机分子共价桥连在导电主链上(2)将氧化还原活性化合物聚合以减少溶解(3)以及与有机羧酸化合物形成盐。这些方法已被证明在缓解有机化合物在电解质中的溶解问题方面有着积极作用。然而，在有机化合物的电化学反应中，需要在电极制备中引入至少50wt %的高导电碳来构建电子导电网络，从而导致能量密度不足。因此，设计和构建优良的物理化学稳定性、高结晶度以及丰富的位点来与锂离子可逆反应，对于达到快速充放电和出色的循环稳定性的目标来说是必不可少的，也是具有挑战性的。
2、偶氮键储能方面研究
已有大量研究表明无机和有机化合物均可用作二次电池的电极材料。其中，无机电极材料的研究主要集中在过渡金属化合物。此类材料的理论比容量不高，制备条件苛刻，通常需要在高温高压等反应条件下进行，工艺复杂，能耗较高，属于不可再生资源，而且重金属的使用也会造成环境污染。相比之下，有机材料则具有以下优势: 第一，可负载丰富的氧化还原活性位点，理论比容量高;第二，它们一般通过相对温和的合成方法制备，能耗低; 第三,大部分有机化合物可以直接从天然可再生能源获得或由其衍生物制备，循环可再生,符合“可持续发展”和绿色环保的理念。在过去的30多年,有机电极材料用在二次电池的研究报道不断,已报道的有机电极材料主要为基于C=O键反应、掺杂反应和C=N键反应的材料。虽然有机电极材料已经表现出很大优势，但仍然存在需要克服的问题。例如，易溶于有机电解液,导电性差,造成其循环性能和倍率性能不尽如人意等。
最近，一种新兴的有机电极材料(包含N=N键)被深入研究并广泛地应用到锂离子电池、钠离子电池以及超级电容器中。马里兰大学的王春生课题组[15]发现通过硝基化合物电化学还原成的偶氮化合物是一种新型的有机电极材料，在锂离子电池中具有优异的电化学性能。他们课题组选择以4-硝基苯甲酸锂盐(NBALS)作为模型硝基化合物，说明了硝基化合物电还原成偶氮化合物的过程以及偶氮化合物的电化学氧化还原机理。此外，循环伏安法(CV)结果显示，在第一次阴极扫描时，在2.25 V和2.0 V处有两个阴极峰，而在随后的扫描中仅观察到一对氧化还原峰，这说明硝基在还原成偶氮化合物时的化学过程是不可逆的。随后，偶氮化合物在充电/放电循环中以高电化学性能可逆地锂化/脱锂。其中，NBALS在0.5 C时的初始容量为153 mAh g-1，经过100次循环后保持131 mAh g-1的容量。
El-Kader课题组[16]使用高孔偶氮连接聚合物(ALPs)作为一种新的氧化还原活性电极材料，并阐释了ALP的合成过程以在钠离子的氧化还原机理。其中，ALPs是高度交联的聚合物，这消除有机小分子因溶解度问题导致的容量快速衰减的问题。此外，高表面积与聚合物的pi;共轭微孔性质相结合，有利于电解质在孔隙中的吸附，从而有助于快速的离子传输。这样高度交联的多孔聚合物具有较高的偶氮连接密度，基于每个重复单元有4个电子转移，作为氧化还原活性中心的框架，提供了充足的N=N氧化还原活性位点，导致其较高理论比容量(278 mAh g-1)。在0.3 C的倍率下，ALP-8在钠离子电池的比容量达到170 mAh g-1，同时在150次充放电循环中保持96%以上的库仑效率。
3、结论与展望
毫无疑问，偶氮化合物具有原料来源广泛，低成本，高活性，环境友好，制备方法多样且难度低等优异特点，使其在有机电极材料领域能占据一席之地。通过偶氮基团修饰的聚合物不仅能达到高比容量和快速的氧化还原动力学，还能解决有机材料固有的低导电率，电解质中的溶解，低倍率性能以及差的循环稳定性等问题。相信随着对偶氮基团化合物以及聚合物的研究的不断推进，这一体系会对加快有机电极材料发展提供巨大的帮助。
4、参考文献
