杨应奎教授、朱云海教授，ACS Nano文章：构建富含活性中心的核壳异质结构电极材料用于高能量密度对称锂离子电池

第一作者：王永林

通讯作者：杨应奎*，朱云海*

单位：武汉纺织大学

锂离子电池（LIBs）正从传统的便携式电子设备应用，迅速扩展至电动汽车和智能电网领域。随着需求的激增，金属资源的稀缺性导致原材料供应紧张，正逐渐成为传统LIBs发展的瓶颈。有机电极材料（OEMs）因其资源丰富、环保可持续、可回收再生以及结构多样性等优势，作为传统无机电极材料的替代品，近年来受到了极大的关注。

在过去的研究中，OEMs在电化学性能方面取得了巨大的突破，特别是在分别实现高容量或长循环寿命方面。然而，研究进展表明，OEMs在追求高容量和长寿命之间存在明显的权衡关系。通过在化学结构中引入高密度活性中心，OEMs可以实现较高的电池容量，但往往会存在结构稳定性不足的问题，从而影响电池的循环寿命。解决策略是在化学结构中引入惰性基团，以形成扩展的共轭结构来增强稳定性。然而，这种策略在提高结构稳定性的同时，不可避免地牺牲了电池的容量。在高容量和长寿命间存在的两难选择，使得有机电极材料在实际应用中面临挑战。

近日，武汉纺织大学的杨应奎教授与朱云海教在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Crafting Core-Shell Heterostructures with Enriched Active Centers for High-Energy-Density Symmetric Lithium-Ion Batteries”的研究文章。该文章为实现电极材料中高容量与长寿命间的调和，借助化学结构设计和微结构调控，成功开发了一种碳纳米管/共价有机框架复合核壳异质结构电极（HTPT-COF@CNT，图1）。

HTPT-COF@CNT电极材料可以实现高比容量和循环稳定性并存，同时兼具优异的倍率性能。首先，交替排列的羰基和吡嗪基团提供了丰富的氧化还原活性中心，确保了电极的高容量。其次，通过二维全共轭结构扩展了电子离域，增强了化学结构的稳定性。再者，分级核壳异质结构显著提升了轴向电子传输和径向离子扩散的效率。最终，HTPT-COF@CNT电极兼具高比容量（507.7 mAh/g@0.01 A/g）、出色的倍率性能（247.8 mAh/g@20.0 A/g）和长期循环稳定性。该研究为开发高性能有机电极材料提供了一种具有广阔前景的设计策略。

结合原位衰减全反射红外光谱、离位红外光谱、离位X射线光电子能谱和理论模拟等手段，全面揭示了该电极材料中的离子存储机制，为今后有机电极材料的设计与研究提供了参考。

对称全有机锂离子电池的正负极使用同种有机电极材料，这种设计可以进一步缩减电池的制造成本。同时全有机电池避免使用活泼金属锂负极，可以大幅提升电池的安全性能。然而，将有机电极材料同时作为正极和负极使用，对有机电极材料的设计提出了更高要求。HTPT-COF@CNT的化学结构中存在二维全共轭结构和丰富的杂原子，因此该电极材料还可以借助超锂化过程而作为负极使用。使用HTPT-COF@CNT同时作为正极和负极组装了对称全有机电池，全有机电池实现了高能量密度（191.7 Wh/kg）和高功率密度（3.8 kW/kg），为发展具有高性能和高成本效益的新型能源存储技术提供了新的见解。

Crafting Core-Shell Heterostructures with Enriched Active Centers for High-Energy-Density Symmetric Lithium-Ion Batteries

网址：http://www.polymer.cn/ss/ykyang/index.html; E-mail：ykyang@wtu.edu.cn

朱云海教授简介：湖北省高层次人才，武汉纺织大学省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室教授。长期从事电化学储能材料与器件的基础研究和应用开发。迄今为止已在Nat. Rev. Chem、Joule、Chem、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter、Energy Environ. Sci.、ACS Nano等期刊上发表论文40余篇。主持国家自然科学基金、武汉市自然科学基金探索计划（晨光计划）、中国博士后基金等多个项目。荣获湖北省楚天学者、武汉市武汉英才（优秀青年人才）、吉林省优秀博士学位论文等多个荣誉称号。