中石大智林杰教授、孔德斌教授AEM：质子化吡啶氮助力Cl-高效转化！超稳定Li/Na-Cl2电池循环寿命显著提升

第一作者：魏欣茹，孔德斌

通讯作者：孔德斌*，智林杰*

单位：中国石油大学（华东）

锂/钠-氯电池通过Cl₂与LiCl/NaCl的可逆氧化还原反应实现能量存储，因其高理论能量密度和低成本优势，被视为下一代储能系统的有力竞争者。然而，实际应用中，LiCl/NaCl在正极表面的不均匀沉积会导致电极钝化，引发容量快速衰减和循环寿命缩短。本文创新性地采用二维生物质碳材料作为氮掺杂载体，通过质子化吡啶氮掺杂碳材料（N-CS），显著提升了氯转化动力学。在酸性电解液环境中，吡啶氮自发质子化形成带正电的活性位点，这些位点不仅增强了Cl₂的吸附，还通过电荷重新分布降低了NaCl的成核能垒，实现了NaCl的均匀沉。该研究不仅从理论上阐明了质子化吡啶氮对氯转化动力学的调控机制，更为开发高性能锂/钠-氯电池提供了新的材料设计思路，对推动高能量密度储能系统的发展具有重要意义。

近日，中国石油大学（华东）智林杰教授与孔德斌教授团队取得重要研究突破，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Protonated Pyridinic Nitrogen Enhances Chloride Conversion for Ultrastable Li/Na-Cl₂ Batteries”的文章。该文章通过系统的实验研究与理论计算相结合，深入阐明了氮掺杂碳材料促进氯转化可逆反应的关键作用机制，从而实现了电池超长循环稳定性和优异倍率性能的协同提升。这一研究成果为开发高性能锂/钠-氯电池提供了重要的理论依据和材料设计新思路。

本研究创新性地采用二维生物质碳材料作为载体，通过质子化吡啶氮掺杂策略（N-CS）显著提升了氯转化动力学。在酸性电解液环境中，吡啶氮自发质子化形成带正电的活性位点，这种独特的结构通过电荷重新分布显著增强了碳材料对Cl₂的吸附能力，同时降低了NaCl/LiCl的成核能垒。理论计算和实验表征表明，质子化后的碳材料表面电子结构发生重构，使得NaCl能够均匀沉积。这一材料设计不仅提升了氯物种的转化效率，还实现了电极/电解质界面的稳定化。

基于N-CS正极材料的锂/钠-氯电池展现出优越的电化学性能。组装的钠氯电池在1500 mA g^-1和-20°C条件下可实现1000次稳定循环，容量保持率接近100%。在12000 mA g^-1的超高电流密度下仍能保持700 mAh g^-1的高比容量。锂氯电池在1500 mA g^-1和-20°C条件下实现1500次循环，s实现了该体系在低温环境下的最长循环寿命纪录。这些性能突破均证明了质子化策略的有效性。

通过非原位XPS、NMR、原位XRD和DEMS等多尺度表征手段，结合DFT计算，系统揭示了质子化吡啶氮的作用机制。研究发现，质子化过程显著降低了NaCl成核的反应能垒和氯转化的活化能，同时增强了氯物种的锚定作用。这种机制在锂/钠-氯电池体系中均表现出普适性，软包电池测试进一步验证了其产业化可行性。该研究不仅为理解碳材料异质掺杂提供了新视角，更为开发下一代高能量密度、长循环寿命的储能系统开辟了新途径。

Protonated Pyridinic Nitrogen Enhances Chloride Conversion for Ultrastable Li/Na-Cl₂ Batteries

孔德斌：中国石油大学（华东）新能源学院特任教授，专注于碳基纳米材料的可控制备及其在先进储能电池中的应用研究；2011年本科/2016年博士毕业于天津大学，导师：智林杰研究员/杨全红教授；2016-2021年就职于国家纳米科学中心历任助理研究员/副研究员；2021年加入中国石油大学（华东）新能源学院。

智林杰：中国石油大学（华东）教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。中国科学院“百人计划”入选者。在面向高效储能应用的电极材料的结构调控、功能化与多元复合方面做出一系列创新性成果，设计和建构了具有独特化学杂化结构的富碳纳米电极材料，围绕碳/锡（硅）复合电极材料，在国际上率先提出了复合组分维度匹配性概念，发展了多种高性能、多功能复合电极材料。已在Nature Commun、J Am Chem Soc和Angew Chem Int Ed等国际一流学术刊物上发表高质量研究论文210余篇，获他人正面引用26000余次，H因子72，连续六年入选科睿唯安“全球高被引科学家”。先后承担了科技部国际合作、863、纳米重大专项课题，基金委国际合作、杰出青年基金、联合基金重点等项目20余项。授权国家发明专利40余项，其中“二次电池用复合电极材料”等三个专利包已经完成技术转让与项目落地。获北京市自然科学三等奖、上海市自然科学一等奖。兼任中国颗粒学会、中国复合材料学会、能源学会、中国石墨烯产业技术创新战略联盟等理事。