基于无机嵌入化合物电极材料的锂离子电池在低温(< -20 ℃)下会失去大部分容量，限制了其在电动汽车、航空航天和国防等关键领域的应用。与传统的无机嵌入化合物电极材料相比，具有氧化还原活性基团的有机电极材料通常表现出较快的电极反应动力学、较强的载流子适应性和优异的低温性能。同时，有机电极材料具有结构可设计性强、资源丰富、环境友好等优点，近年来在二次电池研究领域中受到了广泛关注。本文主要介绍了基于有机电极材料的低温电池体系的研究进展，根据不同氧化还原反应机理对有机电极材料进行了分类，阐述了有机电极材料的储能机制及其特点，结合近几年国内外研究介绍了有机物金属(离子)、非金属离子电池，有机物双离子电池等几类典型的低温有机物电池体系，分析了不同工作机理的有机电极材料在低温下的电化学行为，最后总结了有机电极材料在低温电池中的应用前景和挑战，旨在为未来低温有机物电池中有机电极材料的设计及其与电解液的适配性提供指导。
随着化石能源的持续消耗及其所带来的越来越严峻的环境问题，开发清洁高效的能源及储能器件已成为全球性课题。锂离子电池(LIBs)由于其高能量密度、高工作电压和优异的循环稳定性，在电动汽车、便携式电子设备等领域已有广泛的应用。然而，当LIBs的工作温度低于-20 ℃时，传统的LIBs存在电解液凝固、离子脱溶剂困难、低温下电极与电解液界面阻抗增加等问题，导致电池遭受严重的容量损失。在工作温度只有-40 ℃时，传统的LIBs甚至只能保持其正常容量的12%。
商用LIBs主要基于无机嵌入化合物电极材料，这类材料的电荷存储机制是基于电荷载流子(即锂离子，Li+)的可逆嵌入/脱嵌，伴随着过渡金属元素价态的变化。受其固有的晶界电阻和金属离子在无机晶格中的缓慢扩散速率的限制，在低温下，电极中的电荷转移变得更加困难，导致电池性能迅速恶化。依靠现有的无机材料，很难实现可充电电池在极端低温条件下的应用。有机电极材料具有易于合成、资源丰富易获取、结构易于调节和环境友好等优点，是一种很有前途的绿色环保的二次电池电极材料。此外，由于无机电极材料的插层反应动力学与嵌入离子的离子半径和晶体结构内的间隙密切相关，因此只有极少数离子能够以高选择性和可逆性存储。相比之下，大多数有机电极材料的电化学活性基团对载流子的半径和类型不敏感，使得有机电极适用于不同的金属/非金属离子电池。而且有机物分子的结构具有高度可调性，使高容量有机电极材料的合理设计成为可能。
在低温领域，有机电极材料基于可逆化学键重排的独特反应机制，往往表现出快速的氧化还原反应动力学。因此，它们被认为在低温储能器件领域具有较大潜力。基于全有机电极材料、有机电极材料||人造石墨和有机电极材料||金属的电池体系已被报道在低温下具有优异的电化学性能。尽管如此，目前对低温有机物电池的研究进展却少有总结，且其重点着眼于几类基于有机电极材料的电池体系，还没有文献系统地分析有机电极材料的不同工作机理及其对电池低温性能的影响。
本文提供了一种新的视角，结合国内外相关研究报告，首先根据有机电极材料的不同储能机制将它们进行分类[n型、p型以及双极性(bipolar)材料]，再从工作机理出发分析它们在低温下的电化学行为，并介绍了基于有机电极材料的几种典型的低温有机物电池体系[包括金属(离子)电池、非金属离子电池、双离子电池等]及其研究进展，最后总结了有机电极材料在电池中的应用前景和挑战，以期指导用于低温高性能有机物电池的有机电极材料及电解液的设计和开发。
1 有机电极材料的工作机理
按氧化还原反应机理不同，有机电极材料可分为n型、p型以及双极性材料。常见的有机电极材料及其工作机理如图1所示。对于n型有机电极材料，在电化学还原过程中，n型有机物得到电子并被还原为阴离子化合物，以在电解液中储存阳离子(如H+、H3O+、NH4+、Li+、Na+、K+、Zn2+、Mg2+和Ca2+等)，氧化过程则对应失去阳离子和电子。对于p型有机电极材料，在电化学氧化过程中，失去电子并被氧化为阳离子化合物，以储存电解液中的阴离子(如PF6-、FSI-、TFSI-、ClO4-、BF4-等)，还原过程则对应失去阴离子并得到电子。对于双极性有机电极材料，其结构中同时含有n型活性基团和p型活性基团并分别储存阳离子和阴离子。上述不同反应机制的活性官能团为设计和合成高性能有机电极材料提供了许多机会，为实现经济高效可持续的有机物电池打下良好的基础。
图1 不同类型的有机物电极材料的氧化还原机理(A-表示电解液中阴离子，Mn+表示阳离子)
1.1 n型有机电极材料
常见的n型有机电极材料有羰基化合物、羧基化合物、氮杂环衍生物、磺酰胺化合物等，如表1所示。n型有机电极材料的氧化还原电位通常低于3.5 V(vs. Li+ /Li)，在研究中既可以用作正极材料(如以n型有机电极材料为正极，金属锂或金属锌为负极的电池体系)，也可以用作负极材料(如以无机嵌入化合物为正极，n型有机电极材料为负极的电池体系)，其储能过程对应于阳离子的结合过程。与n型有机电极材料结合的阳离子通常为金属离子，包括一价金属离子(如Li+、Na+、K+等)和多价金属离子(如Zn2+、Mg2+等)；有时也为配位金属阳离子(如MgCl+、ZnCl+、AlCl2+等)以及非金属离子(如H+、NH4+、H3O+等)。n型有机物材料在储存阳离子的过程中，其极性的活性基团(如羰基)与溶剂化阳离子结合后会部分中和阳离子的正电荷，从而可以促进阳离子脱溶剂化过程的进行；同时，这类有机物材料具有较大的内部空间，有利于阳离子的快速传输，这些特点使其有望应用于超低温领域。通过在n型有机电极材料中引入吸电子或给电子基团，改变活性基团的相对位置和数量，设计不同的共轭结构，可以实现对n型有机电极材料工作电位的调整。例如，通过在蒽醌(AQ)中引入较强的电负性原子(O、N或S)，得到的杂芳香族化合物的最低未占据分子轨道(LUMO)的能级降低，可以有效降低其还原电位。
表1 几种典型的n型有机电极结构与氧化还原机理
值得注意的是，n型有机电极材料(特别是羰基化合物)或其结合阳离子的放电产物，在化学性质相近的有机溶剂中溶解度高，容量损失快，限制了其实际应用。从电极的角度主要解决策略有：①将小分子单体聚合成不溶的高分子；②采用碳材料(碳纳米管、石墨烯等)进行复合以锚定小分子。从电解液的角度，n型有机电极在醚基电解液中表现出比碳酸酯基电解液更好的性能。使用醚基电解液代替碳酸酯基电解液或添加氟代碳酸乙烯酯(FEC)等成膜剂有利于形成薄而稳定的固体-电解液界面层(SEI)。采用高浓度或局部高浓度电解液可以有效降低体系中自由溶剂分子的含量，形成阴离子衍生的富无机SEI，从而减少有机活性物质的溶解。近年来，基于无机固体电解质和固态/准固态聚合物电解质的固态有机电池的发展也备受关注，可以有效减少活性材料的溶解。此外，还可以采用锂快离子导体(LISICON)、全氟磺酸膜(Nafion)等离子选择性隔膜阻挡溶解组分的穿梭。
1.2 p型有机电极材料
p型有机电极材料具有比n型电极材料更高的氧化还原电位(>3.5 V vs. Li+ /Li)，因此通常将其作为正极材料。在充电过程中，p型电极材料发生氧化反应生成阳离子，并与电解液中的PF6-或ClO4-等阴离子结合。由于阴离子通常具有相对阳离子较大的离子半径，所以与溶剂的相互作用力(即溶剂化能力)较弱，因此常常认为p型有机电极材料在储存离子的过程中的脱溶剂化能垒较低，相比于传统无机嵌入化合物正极材料具有明显的动力学优势，尤其是在低温下工作时，p型有机电极材料可以表现出优异的充放电可逆性和容量保持率。对于p型电极，电解液既负责在负极和电解液之间传输阳离子，同时也负责在电解液和正极之间传输阴离子。由电解质盐同时提供阳离子和阴离子并均参与电极反应的电池被称为双离子电池(DIBs)。常见的p型有机分子有二噁英类化合物、季氮化合物等(表2)。虽然p型正极材料具有与传统无机正极相当的电压，并且与n型电极材料相比在有机电解液中溶解程度低、更稳定，但它们中的大多数只能提供有限的比容量，通常小于100 mAh/g。
表2 常见的p型有机电极结构与氧化还原机理
p型电极材料的高氧化还原电位往往要求电解液具有优异的氧化稳定性。因此，通常选择碳酸酯基电解液而非醚基电解液。p型电极的实际氧化还原电压可以通过改变溶剂的类型来改变。此外，电解液中阴离子的类型也会影响电极的氧化还原反应电压、电荷转移动力学和循环稳定性。一般来说，阴离子尺寸越大，电极的极化程度越高，在充放电过程中电极的氧化还原电位越高。考虑到p型有机电极的比容量受盐阴离子质量的显著影响，选择阴离子质量低的电解质盐有望获得优异的电化学性能。
1.3 双极性有机电极材料
双极性有机分子(如硝基氮氧化物)可以同时作为电子受体(n型)和电子供体(p型)，既可以储存阳离子也可以储存阴离子。常见的双极性有机材料如表3所示。对于双极性有机电极材料，可以根据电极上实际发生的氧化还原反应将其作为n型或p型电极，其对应的储能过程也与n型或p型类似；在合适的电位内，双极性有机电极材料则可以同时发挥出n型活性基团的高容量和p型活性基团的高电压的优势。类似于n型和p型材料，双极性有机材料的储能机制同样可以被利用在低温工作的电池体系中。例如，硝基氮氧化物在实际应用中，为了获得稳定的电化学性能，它们通常被视为p型有机物。因此，通常选择具有宽电化学稳定窗口的电解液，如碳酸酯基或离子液体(IL)基电解液。聚4-甲基丙烯酸-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氮氧自由基酯(PTMA)是第一个被报道作为LIBs电极材料的有机自由基，由于其稳定的聚合物结构和快速的反应动力学，PTMA具有良好的循环和倍率性能。然而，比容量低、原料昂贵、合成复杂等问题极大地阻碍了硝基氮氧化物电极材料的应用。
表3 常见的双极性有机电极结构与氧化还原机理
2 有机物电池体系及其在低温下的应用
根据上述不同的储能机制，有机电极材料可以匹配不同的电极材料构筑电池体系，例如有机物金属电池、有机物金属/非金属离子电池以及有机物双离子电池等。这些电池体系利用了有机电极材料的赝电容特性，将其低温下快速的反应动力学与电解液的低熔点相匹配，从而实现更好的低温性能。
2.1 有机物金属电池
n型有机物通常具有较高的容量，常和金属负极(如Li、Na、Mg、Zn、Al等)组成有机物金属电池体系，其中共轭羰基化合物应用最广泛。当其作为正极材料时，对不同价态的金属阳离子，通常具有不同的离子存储机制。
对于Li+、Na+、K+等一价金属离子，单个金属阳离子与单个羰基结合进行高度可逆的酮羰基/烯醇转化反应(C=O/C—O—M)，在储存阳离子的过程中，极性羰基与溶剂化阳离子结合后会部分中和阳离子的正电荷，从而促进阳离子脱溶剂化过程的进行；同时，这类有机物材料具有较大的内部空间，有利于阳离子的快速传输，因此表现出快速的氧化还原动力学，这些特点使其有望应用于超低温领域。例如，Dong等利用n型有机物材料聚酰亚胺(PI)作为正极，金属锂作为负极，并将惰性的二氯甲烷(DCM)稀释剂加入5 mol/L LiTFSI溶于乙酸乙酯(EA)中作为电解液，该电解液在Li金属负极侧具有较高的稳定性，并且在-70 ℃下具有较高的离子电导率。基于该共溶剂电解液制备的聚酰亚胺-锂(PI-Li)有机物电池在-70 ℃下具有优异的倍率性能和较高的能量密度(178 Wh/kg)，是一种可在极端条件下工作的有机物电池体系(图2)。
图2 Li||PI电池电化学性能 (a)25 ℃和-70 ℃下的充放电曲线；(b) -70 ℃超低温下的倍率；(c) -70 ℃超低温下的循环性能；(d) 25 ℃和-70 ℃下的Ragone图
与存储Li+、Na+等一价阳离子的机制不同，Al3+在与n型电极材料结合时通常是以与电解液阴离子共嵌入的形式。Li等以大环杯[4]醌(C4Q)作为铝电池正极，探究了其储能机制和性能。实验结果表明，在Al||C4Q电池中，Al(OTF)2+阳离子作为活性离子在1 mol/L Al(OTF)3电解液中与C4Q可逆结合(图3)。由于Al3+存储时无须完全脱溶剂化，该电池具有快速的存储动力学，在-20 ℃的低温下仍有优异的性能(224 mAh/g)。此外，Li等还探究了不同醌类化合物存储多价离子的性能。结果表明，与9,10-AQ和1,4-NQ相比，具有邻羰基(9,10-PQ、1,2-NQ、PTO和C4Q)的化合物通常表现出更高的电压和更小的过电位，这可以归因于相邻羰基对多价阳离子的分子内螯合不仅提高了放电产物的稳定性，而且避免了阳离子与多个对醌分子之间迟缓的反应过程。其中，具有大腔体和多个相邻羰基结构的C4Q更容易与多价离子配位，从而提高羰基利用率并提高比容量。
图3 Al||C4Q电池工作机理
另一种具有多个相邻羰基的大环醌类化合物——菲醌大环三聚体(PQ-MCT)也被用作多价金属离子电池的正极材料。Wang等以PQ-MCT和锌箔分别作为锌有机物电池的正极和负极，含三氟甲烷磺酸锌(ZnTFMS)的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液作为电解液。其工作原理是正极可逆配位反应(C=O/C—O—0.5 Zn)和负极镀锌，Zn2+在两者之间来回迁移，起到摇椅式电池的机制。PQ-MCT电极具有快速的Zn2+存储动力学，存储过程中配位反应具有高可逆性。有机电解液的非质子性质完全避免了析氢反应的发生，Zn2+-DMF配合物的存在抑制了枝晶的生长。得益于ZnTFMS/DMF电解液的高沸点(158 ℃)和低凝固点(-71 ℃)， Zn||PQ-MCT电池在-70～150 ℃的宽温度范围内具有良好的性能。基于以上优势，当温度降至-40 ℃的超低温时，Zn||PQ-MCT电池的比容量仍高达86.9 mAh/g，占室温比容量的66.2%。
此外，通过与碳纳米管或石墨烯等碳材料负载的方式，可以降低羰基化合物在电解液中的溶解性，进一步提高其电化学性能。Fan等[49]提出了一种聚酰亚胺@碳纳米管(PI@CNT)复合正极，可以快速地存储不同价的金属离子。在离子和电子转移过程中，溶剂化的阳离子可以很容易地进入聚合物中相邻活性位点之间的开放空间，而电子可以在碳纳米管的骨架上快速迁移。得益于其优异的结构稳定性、导电网络中较高的电子/离子电导率，当使用4 mol/L LiFSI溶于DME作为电解液时，PI@CNT正极与相应金属负极(Li、Mg、Al等)组成的全电池具有长循环寿命(>10000次循环)，快速充放电动力学(>20 C)和宽工作温度范围(-40～50 ℃)。
2.2 有机物金属/非金属离子电池
以n型有机电极材料作为正极、无机非金属材料(如石墨、Li4Ti5O12等)作为负极或以无机材料作为正极、n型有机物作为负极的电池体系为有机物金属/非金属离子电池，其工作机制与基于无机电极材料的锂离子电池相似，为摇椅式电池。除了金属离子可作为载流子组成有机物金属离子电池外，H+、H3O+、NH4+等非金属离子也可作为载流子分别组成有机物质子、水合质子以及铵根离子电池。
有机盐M2C6O6(M = Li或Na)是一类具有优异性能的有机电极材料。它可以通过天然有机源以低成本的方法合成，并且在LIBs中通过四电子氧化还原过程发挥出560 mAh/g (M = Li)的高容量。Xu等制备了纳米尺度的环己烯二醇四酮二钠(Na2C6O6，DSR)与π共轭的单层氧化石墨烯复合物(nDSR*π)，将其作为有机钠离子电池负极。nDSR*π电极的放电过程经历了固-液-固相变，如图4所示。氧化石墨烯和nDSR之间的非共价相互作用能够将可溶中间体锚定在电极表面，抑制其穿梭效应，提高了电极材料的循环稳定性。nDSR*π与普鲁士蓝类似物正极组成的全电池体系在-40 ℃下具有大于7000次循环的优异循环稳定性，同时在300 mA/g的高电流密度下保持101 mAh/g的放电容量。此外，Lu等开创性地提出环己酮(C6O6)可作为锂离子电池的正极材料，并能提供902 mAh/g的超高比容量。若能将高容量的有机正极与低温电解液以及低温下具有快速存储动力学的负极结合起来，将有望实现更优异的低温有机物电池体系。
图4 nDSR和nDSR*π的固-液-固转化反应 (a) nDSR的Operando拉曼光谱和初始两个周期对应的充放电曲线；(b) nDSR*π电池的Operando拉曼三维投影等高线图；(c) nDSR*π电极在不同放电/充电状态下的operando Raman光谱和相应的充放电曲线
在水系电池中，金属离子电池由于金属载流子大的溶剂化半径和强的静电相互作用导致离子传输缓慢，而非金属载流子(如H+，H3O+，NH4 +等)具有更轻的质量和更小的离子半径，在水系电池中具有更快的动力学。Sun等以四氧嘧啶(ALO)为负极存储H+，碳纤维毡(CF)为正极进行MnO2/Mn2+的转化反应，并采用2 mol/L HBF4 + 2 mol/L Mn(BF4)2作为电解液，构建了水系质子电池(APBs)。BF4-阴离子的引入有效地破坏了原始水分子的氢键网络使电解液具有低于-160 ℃的超低凝固点，并且在-70 ℃时具有0.21 mS/cm的高离子电导率。ALO||2 mol/L HBF4 + 2 mol/L Mn(BF4)2||CF质子电池在-90 ℃下也能正常工作，且具有85 mAh/g的比容量。得益于质子的快速扩散和ALO的赝电容特性，该电池在-60 ℃下，功率密度为1650 W/kg，能量密度高达110 Wh/kg。Wang等证明了有机醌二苯并[b,i]噻吩-5,7,12,14四酮(DTT)具有在酸性电解液中可逆储存H3O+的能力，构建的MnO2||DTT电池在2 A/g下提供超过50000次的长循环稳定性，容量保持率为72%。此外，即使在-70 ℃的环境下，电池也能正常工作，并显示出良好的循环稳定性。Yan等提出了一种基于有机聚(1,5-萘二胺)负极和无机普鲁士蓝正极的水系铵离子电池，并采用19 mol/L CH3COONH4的高浓度电解液避免了H+的共存储。其工作原理包括负极可逆配位反应(C=N/C—N—)和正极NH4+的嵌入/脱嵌，NH4+在摇椅式电池中作为电荷载体。得益于两个电极的快速动力学和稳定性，这种水系铵离子电池表现出优异的倍率性能和500次循环的长循环稳定性，并且在-40~80 ℃的宽温度范围内能良好地工作。
2.3 有机物双离子电池
与LIBs等摇椅式电池不同，DIBs引入了阴离子在正极的插层行为。阴离子的离子半径明显大于阳离子，因此脱溶剂化能垒也相对较低，这大大降低了脱溶剂化过程对电池高倍率和低温性能的影响，提高了电池在低温下的性能。典型的基于有机物的DIBs包括以石墨作为正极(阴离子插层)、n型有机物作为负极(结合阳离子)的电池体系或以p型有机物作为正极(阴离子吸附)、石墨作为负极(阳离子插层或者溶剂化阳离子共插层)的电池体系或正负极均采用有机电极的全有机DIBs体系。
对于以p型有机物作为正极、石墨作为负极的双离子电池体系，在碳酸酯基电解液中，石墨负极发生锂离子的嵌入过程，则锂离子必须经历脱溶剂化过程再嵌入至石墨层间，不可避免地限制了电池体系的低温性能。若使用醚类电解液，锂离子或者钠离子可以通过“阳离子-溶剂络合物”的形式共嵌入石墨层间，避免脱溶剂化过程，从而提高电池的低温性能。Chen等提出了采用p型聚三苯胺(PTPAn)作为有机正极和人造石墨作为负极的DIBs，巧妙地利用Na+与醚溶剂分子的共嵌入来绕过石墨负极的脱溶剂化过程，将阳离子-溶剂共插层机制和阴离子存储机制相结合，使该电池体系具有独特的快速充电和低温性能。即使在-70 ℃的超低温下，也能提供61 mAh/g的高比容量，占室温比容量的61%(图5)。类似地，Que等以PTPAn为正极和钛酸氢(HTO)为负极，组成了基于阴离子存储和K+/溶剂共插层的DIBs，HTO中层间水的电荷屏蔽效应实现了K+/溶剂共插层的机制，使其具有优异的低温性能，在-60 ℃下循环1000次后仍有91%的容量保持率。
图5 (a) 传统锂离子电池LMO||AG工作示意图；(b) 无脱溶剂化钠离子电池PTPAn||AG工作示意图；(c) PTPAn|| 0.5 mol/L NaPF6-DEGDME||AG 全电池在不同截止电压与温度下的充放电曲线
近年来，正极和负极均采用有机电极的全有机电池被提出并被证明在低温领域有优异的性能。Dong等构建了以PTPAn为正极，以1,4,5,8-萘四羧酸二酐(NTCDA)衍生聚酰亚胺(PNTCDA)为负极的全有机DIBs。它避免了Li+在电解液和传统的嵌层化合物基电极界面处脱溶缓慢的问题，大大提升了电池在低温下的容量保持率。即使在-70 ℃的超低温下，该全有机电池的容量仍然可以达到69 mAh/g，仅比室温下低30%。Qin等以聚酰亚胺为负极、PTPAn为正极和1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺(EMITFSI)纯IL作为电解液组成全电池，提出了全有机无金属(metal-free)电池的概念。该电池在室温下具有优异的充放电性能，并且当温度降到-10 ℃(接近EMITFSI凝固点)时，容量几乎没有变化，体现出该电池体系潜在的低温性能。当温度低于EMITFSI凝固点时，电解液冻结，电池会突然失效。因此，Qin等基于IL与有机溶剂的高混溶性，进一步提出了改良的无金属电池。以乙酸甲酯/乙腈(MA/AN)混合物作为共溶剂，在MA/AN(1/2, 体积比)电解液中加入1 mol/L EMITFSI，成功在-80 ℃条件下实现了1C下79%的容量利用率，在-60 ℃条件下实现了高达200C的超快充放电，为储能装置的低温运行提供了可靠有效的解决方案，揭示了这种新型“无金属低温电池”系统在极端条件下的潜在应用前景。
此外，双极性有机物可用于构筑全有机对称APBs。Sun等构建了基于以双极聚氨基蒽醌(PNAQ)作为正极和负极，4 mol/L H2SO4作为电解液的对称APBs。PNAQ作为负极时，蒽醌中的羰基可以与H+可逆结合，作为正极时与氨基相连的苯基单元可实现HSO4-的可逆吸脱附。得益于PNAQ的赝电容特性，该对称APBs在5C下具有85.3 mAh/g的比容量，100C时比容量仍有77 mAh/g，具有良好的倍率性能。该体系也表现出优异的低温性能，在-70 ℃时具有60.4 mAh/g的比容量(图6)。
图6 PNAQ对称质子电池的低温性能 (a) 4 mol/L H2SO4的DSC；(b) 在不同温度下的充放电曲线；(c) 在不同温度下的循环稳定性；(d) 在-70 ℃时的倍率性能；(e) 在-70 ℃下的循环性能
3 总结与展望
随着低温电池的需求和标准的不断提高，基于传统无机嵌入化合物电极的锂离子电池已经不能满足要求。有机电极材料由于其独特的结构和优异的性能显示出优越的低温场景应用潜力。本文从有机电极材料工作机理出发，介绍了三种具有不同储能机制的有机电极材料(n型、p型和双极性材料)及其组成的典型低温有机物电池体系。n型材料具有高容量但工作电位通常较低且易溶解；p型材料具有高的工作电位且较稳定，但容量通常较低；双极性有机电极材料可以将n型高容量与p型高稳定性高电压等优势相结合，根据其实际工作电位可视为n型或p型或二者的结合。在低温下，基于阴离子存储机制的p型电极材料由于阴离子的离子半径大，脱溶剂化能垒低；n型电极材料极性活性基团的静电作用促进与阳离子的结合过程，也有利于离子快速脱溶剂化。将它们与不同的对电极进行匹配，可以构建出不同类型的低温电池体系，均能够实现优异的低温性能。例如，p型电极材料的阴离子存储机制与有利于离子快速脱溶剂化的负极(如n型有机电极)或与基于阳离子-溶剂共插层机制从而避免脱溶剂化过程的负极(如人造石墨)组成有机物双离子电池，可在极端低温的条件下表现出优异的电化学性能。n型电极材料与基于溶解-沉积机制的金属负极组成有机物金属电池，不仅在低温下具有良好的性能，还能实现较高的能量密度。
值得注意的是，尽管基于有机物电极材料的电池体系表现出较好的电化学性能，但是对于不同类型的电极材料仍然有较大的设计空间，而且这种基于有机物的新兴电池体系距离商业化应用还有一段距离，主要面临以下挑战：①有机电极的电子导电性差，通常需要加入较多的导电剂(＞30%)，导致电池的能量密度较低；②大多数有机物尤其是小分子羰基化合物在电解液中具有溶解性，限制了其循环性能；③基于有机电极的电池平均放电电压通常较低，进一步限制了其能量密度。因此，设计同时具有高放电电压平台、高比容量且稳定性好的有机电极材料，进而构筑高性能的低温有机物电池体系，仍是目前该领域主要的研究方向。
为改善有机电极材料性能，研究者们已进行了大量的工作，例如通过多官能团结构设计提升材料的比容量；通过复合导电碳提高循环稳定性；对有机材料进行分子修饰调控其工作电位；纳米尺寸优化提高电极材料利用率等。此外，为了更好地扬长避短，可以将有机材料与无机嵌入化合物结合，其中有机组分可以缓冲无机嵌入化合物的体积变化，无机组分可以增强有机物的电子导电性。同时，有机组分的赝电容特性使其在低温下具有快速的动力学，产生的热量可以传递给无机组分，从而发挥协同作用提高电极材料在低温下的性能。经过材料结构设计、电极工艺优化、电解液匹配等多方位协同攻关，基于有机物电极的电池体系有望在未来储能市场、低温/极端低温场景等领域发挥出较大的应用潜力。
