湖南大学朱智强教授，Angew. Chem.：分子工程与纳米结构协同调控提升有机小分子正极储锂性能

第一作者：彭慧玲

通讯作者：朱智强

单位：湖南大学

锂离子电池（LIBs）因其高能量/功率密度而广泛应用于便携式电子产品、电动汽车和智能电网等领域。然而，传统无机正极材料面临资源短缺和能量密度提升受限的挑战，促使有机电极材料（OEMs）成为研究热点。小分子有机羰基化合物（SMOCMs）作为LIBs正极材料虽具有高理论容量优势，但其溶解度高和导电性差的问题严重影响其循环寿命和倍率性能。如何让SMOCMs在保持高容量的同时实现稳定循环和高倍率性能，成为推动其实际应用亟待解决的难题。

近日，来自湖南大学的朱智强授，在国际知名期刊Angewandte Chemie上发表题为“Boosting Lithium Storage Performance of Small-Molecule Organic Cathodes through Synergistic Molecular Engineering and Nanostructure Design”的文章。该工作提出了一种“分子工程+纳米结构”协同策略，通过将具有氮杂环π共轭结构的纳米化SMOCMs均匀锚定在还原氧化石墨烯（rGO）基底上，有效抑制了活性分子的溶解，并大幅提升了电子/离子传输效率。研究团队设计了一种具有氮杂环共轭结构的有机小分子DQDPD，通过水热法将其纳米颗粒均匀锚定在rGO表面。这一设计实现了三重优化：（1）分子中的C=O和C=N基团提供丰富活性位点，理论容量高达518 mAh g⁻¹；（2）氮杂环共轭结构大幅增强了与石墨烯的相互作用，有效抑制材料溶解并提升电子导电；（3）纳米级DQDPD均匀分散形成高效离子传输通道，提升反应动力学。因此，DQDPD@rGO展现出卓越的电化学性能：0.2 A g⁻¹电流下容量达505 mAh g⁻¹，能量密度1111 Wh kg⁻¹，刷新同类材料纪录；5 A g−1循环3000次后容量保持82%，10 A/g超快充放电仍保持290 mAh g⁻¹容量，远超传统有机正极材料。为高容量、长寿命、高倍率有机正极材料的开发提供了新范式。

静电势计算结果显示DQDPD的C=O和C=N基团提供了丰富的活性位点，能够实现十电子反应，理论容量高达518 mAh g⁻¹。DQDPD与rGO之间具有强π-π相互作用，可以有效抑制材料溶解，提升循环稳定性。DFT计算表明，DQDPD@rGO具有近零带隙和低的锂离子扩散能垒（1.61 eV），显著增强了电子和离子传输效率。

通过溶剂热法成功制备了纳米级DQDPD均匀负载于石墨烯（rGO）的复合材料DQDPD@rGO。该材料具有10-20 nm均匀分散结构、75.9 m²/g高比表面积及介孔通道，可显著促进电解液浸润和离子扩散。XPS分析证实，DQDPD与rGO具有强π-π相互作用，有利于抑制活性分子溶解，并提升电子导电率。

作为锂离子正极材料，DQDPD@rGO复合材料展现出卓越电化学性能：在0.2 A g⁻¹电流密度下实现505 mAh g⁻¹的超高比容量，能量密度达1111 Wh kg⁻¹，刷新同类材料纪录；5 A g⁻¹大电流下循环3000次后容量保持率达82%，10 A g⁻¹超快充放电时仍保持290 mAh g⁻¹的优异倍率性能。

溶解性测试、紫外-可见光谱和电化学阻抗谱等研究结果表明，DQDPD@rGO得益于均匀分布的DQDPD纳米颗粒与rGO的强π-π相互作用，显著抑制了活性物质的溶解，并提高了导电性和锂离子扩散，从而表现出优异的循环稳定性和倍率性能。