由于便携式电子设备和电动汽车日益增长的储能需求以及钠源的丰富性，钠离子电池（SIBs）有望在未来发展为高效储能体系。然而，与锂离子相比，钠离子具有更大的离子半径和更强的络合能力，这会影响钠离子在电解液和负极材料中的迁移速度，导致钠离子传输动力学较慢。此外，较大半径的钠离子需要负极材料具备更大的离子扩散通道和更丰富的储钠位点，这使得商用石墨负极在钠离子电池中的应用受限，也制约了储钠化学的发展。
图1. 本文工作概述图
近日，山东大学物质创制与能量转换科学研究中心李玉良院士、刘泰峰研究员设计了三氮唑取代的功能化石墨炔（TzlGDY）来调控钠离子嵌入顺序，并发现了一种有效的双炔自由基储钠机制。独特的双炔-双三氮唑结构优先通过Na+−N络合作用实现储钠，其次Na+诱导双炔的π键均裂，在双炔两端碳原子上生成两个炔自由基，随后这两个炔自由基通过Na+−炔自由基耦合捕获两个额外的Na+。与已报道的阳离子−π作用机制相比，这种先Na+−N络合再Na+−炔自由基耦合的机制能更有效提升容量。此外，其他双三氮唑-N原子可进一步螯合两个Na+。TzlGDY中的全碳骨架和三氮唑填充的纳米孔有效稳定了双炔自由基，并提升了Na+传输动力学。实验表明，TzlGDY负极在5 A g−1的电流密度下循环12000次后几乎无容量衰减，最终容量为251.7 mAh g−1。同时，组装的TzlGDY||NVP全电池在0.2C倍率下具有114 mAh g−1的高比容量，150次循环后容量保持率达81.8%，平均库伦效率为99.6%。该文章发表在国际学术期刊Journal of the American Chemical Society 上。山东大学博士研究生孔洋为本文第一作者。
图2. TzlGDY anode体系钠离子电池电化学性能测试
该工作通过在石墨炔中引入三氮唑功能基团，调控石墨炔的炔键与功能基团协同产生了新的电子行为，不仅为钠离子电池提供了一种具有高容量、优异倍率性能和长循环寿命的负极材料，同时也揭示了“炔-三氮唑”协同的自由基电子行为作为一种新的碳材料储能机制，为设计钠离子电池负极材料提供了新思路。
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Synthesis and Sodium-Ion Storage of Triazole-Substituted Graphdiyne
Yang Kong, Yujie Wang, Yurui Xue, Lu Qi, Wenlong Yang, Guoxing Li, Taifeng Liu*, and Yuliang Li*
J. Am. Chem. Soc., 2025, DOI: 10.1021/jacs.4c17376
通讯作者简介
李玉良，中国科学院化学研究所研究员、中国科学院院士。2002年、2005年和2014年三次获得国家自然科学二等奖，两次获北京市科学技术奖（自然科学）一等奖和中国科学院自然科学二等奖一次，2017获首届全国创新争先奖，2017年获何梁何利科学与技术进步奖， 2021年获“中国科学院杰出科技成就奖”，研究领域为碳基和富碳分子基材料定向、多维、大尺寸聚集态结构和异质结构自组织生长、自组装方法学以及在能源、催化和光电等领域的应用。
刘泰峰，山东大学研究员，泰山学者青年专家，主要围绕功能化石墨炔的设计构筑、新电子行为和储能应用等开展研究。已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Sci., Nature等学术期刊以第一作者、通讯作者等发表SCI论文30多篇，以第一作者获授权发明专利3项、在审发明专利1项。已主持国家自然基金、上海市自然科学基金、浦江学者人才计划等科研项目，并参与国家重点研发计划等项目。
