王天奕副教授团队Advanced Science观点：电子态极化调控实现共价有机框架负极的快速动力学突破

第一作者：徐开富

通讯作者：何迪*，王赪胤*，王天奕*

单位：扬州大学，悉尼科技大学

随着高能量密度储能技术的发展，传统石墨负极已难以满足快速动力学与长循环稳定性的需求，开发新型高性能电极材料成为关键方向。共价有机框架（COFs）因其结构可设计性与有序孔道，在锂离子存储中展现出潜力，但其固有导电性差与极性不足导致界面极化严重及Li+扩散缓慢。现有导电复合策略虽可改善电子传输，却难以调控其本征电子结构。因此，通过引入高极性基团实现电子态调控，促进电荷重分布并增强离子传输，成为提升COF储能性能的重要途径。围绕电子态调控策略构建高性能COF基复合电极体系，对于突破有机框架材料在储能应用中的动力学瓶颈、实现高效稳定储能具有重要的科学意义与应用价值。

近日，扬州大学王天奕副教授团队在国际知名期刊Advanced Science 上发表题为“Electronic-State Polarization Engineering-Regulated Fluorinated Covalent Organic Framework Nanocables for Fast Lithium-Ion Storage”的研究论文。该工作围绕有机框架负极材料动力学受限这一关键问题，提出了一种电子态极化工程策略，通过在碳纳米管导电骨架上原位构筑富含极性C–F单元的氟化COF纳米电缆结构，实现电子结构与传输行为的协同调控。

研究表明，高极性C–F键可诱导框架内部产生局域电子极化效应，促进电荷重分布，从而增强材料对Li⁺的静电吸附能力并降低其扩散能垒；同时，连续的CNT网络提供高效电子传输通道，有效缓解界面极化并提升结构稳定性。在此协同作用下，材料表现出快速反应动力学与优异的倍率性能。

该电极在0.1 A g-1下比容量达到496.3 mAh g-1，在2.0 A g-1条件下循环2000圈后仍保持281.2 mAh g⁻¹，展现出优异的长循环稳定性；组装的全电池体系亦表现出良好的实际应用潜力。该研究从电子结构调控角度出发，为突破COF类有机电极材料的动力学瓶颈提供了新的设计思路，对高性能储能材料的发展具有重要意义。

共价有机框架（COFs）因其高度有序的晶态结构、可调控孔道及丰富的可逆反应位点，被认为是极具潜力的有机负极材料。然而，其在实际储能过程中仍面临本征电子导电性不足、框架极性较弱以及Li+吸附与扩散动力学迟缓等关键问题，导致界面极化严重、倍率性能受限。针对上述瓶颈，本文提出电子态极化工程策略，通过在COF骨架中引入高电负性氟原子构筑C-F极性单元，诱导框架内部电荷密度重分布，形成局域极化电场。该极化环境能够显著增强Li+的静电吸附与离子–偶极相互作用，同时降低其在孔道中的迁移能垒，从而在分子尺度上加速Li+的嵌入/脱出动力学。该策略突破了传统仅依赖结构调控或导电添加剂提升性能的局限，实现了从“电子结构层面”调控储能行为的关键跃迁。

在结构设计方面，本文通过原位生长策略将氟化COF均匀包覆于碳纳米管（CNT）表面，构筑出具有核–壳特征的一体化纳米电缆结构。该结构在微观尺度上实现了功能分区与协同耦合：CNT作为高导电骨架，构建连续电子传输网络，有效降低电荷转移阻抗并缓解界面电势梯度；外层极化COF则提供规则孔道与高密度活性位点，主导Li+的吸附与扩散过程。更为关键的是，C–F键引入的强极性效应在框架内部产生稳定的局域电场，不仅强化Li+在孔道壁的定向吸附，还通过电场驱动机制促进其沿传输路径的快速迁移。由此，该体系实现了电子导通、离子扩散与界面反应的多尺度协同调控，有效抑制传统COF电极中普遍存在的电荷传输滞后与浓差极化问题。

得益于电子态极化与导电网络的协同作用，F-COF@CNT电极在电化学性能上表现出显著优势：在低电流密度下实现高可逆容量输出，同时在高倍率条件下仍保持优异的容量保持能力，体现出快速反应动力学特征；在长循环过程中，电极结构保持稳定，界面极化持续较低，展现出优异的循环稳定性。此外，组装的全电池体系同样表现出良好的容量保持与运行稳定性，验证了该材料体系的实际应用潜力。更为重要的是，本文从传统“结构优化”与“复合导电”策略，拓展至“电子态极化调控”这一更本征层面的设计思路，建立了调控离子/电子协同传输的新范式，为COF及其他有机框架电极材料的高性能设计提供了重要理论依据与方法指导。

Electronic-State Polarization Engineering-Regulated Fluorinated Covalent Organic Framework Nanocables for Fast Lithium-Ion Storage

王天奕，副教授，博士生导师，2017年毕业于扬州大学化学化工学院应用化学专业，获工学学士学位；2017年赴澳大利亚悉尼科技大学（University of Technology Sydney）清洁能源中心(CCET)攻读博士学位，2021年获理学博士学位。从事新型能源存储技术和纳米材料界面应用的研究（含工业研发），涉及锂/钠离子电池，锂硫电池，硅碳负极复合材料，锂金属负极和可再生材料等领域。主攻电池电极界面（SEI膜）的改良与调控，电池微纳结构的合成与制备，能源催化转换等。以第一/通讯作者在 Nature Communications (2)， Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition (5)，Advanced Energy Materials (2), Electrochemical Energy Review, Advanced Science (2), Nano Energy, Chem. Eng. J., J. Mater. Chem. A; Small methods 等期刊发表论文40余篇。被引用次数6800余次，H因子42，担任eScience，Carbon Neutralization等期刊青年编委。入选斯坦福大学联合爱思唯尔（Elsevier）共同发布2025年全球前2%顶尖科学家榜单。

王赪胤：二级教授，博士生导师，研究方向：电化学传感器、光催化、能源存储与转化等，已经在Nature Catalysis, Nature Chemistry, Nature Communications, Advanced Materials, Angewandte Chemie-International Edition, Chem, Journal of the American Chemical Society等国际学术刊物上发表SCI收录论文250余篇, H-index 66 (2026), 获中国发明专利授权23项, 专利技术转让1项。2026年Research.com全球材料科学领域最佳科学家（世界排名4537，中国1361），2025年2月入选国际学术排名机构ScholarGPS的2024年度全球前0.05%科学家“近五年影响力学者”榜单（世界排名4949）。2020-2025年连续六年入选Stanford University和Elsevier共同发布的全球前2%顶尖科学家榜单（World's Top 2% Scientists）中年度影响力榜和2025年的终身影响力榜。