近日，省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室杨应奎教授团队在国际TOP期刊《ACS Nano》上发表了题为“Crafting Core-Shell Heterostructures with Enriched Active Centers for High-Energy-Density Symmetric Lithium-Ion Batteries”的高水平研究论文（链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c11780），是继最近电化学能源高分子材料研究（Angewandte Chemie International Edition, 2024, 63(19): e202401253; 2024, 63(26): e202405594）的又一创新性成果。武汉纺织大学为论文第一署名单位，国家重点实验室科研助理王永林为论文第一作者，杨应奎教授、朱云海教授为论文通讯作者。
有机电极材料因其资源丰富、结构可调、性能可控、成本低、易回收、可再生等综合优势，使其在电化学能源领域的应用备受关注。其中，共价有机框架(COFs)材料的单元结构易设计、拓扑结构可调节、孔道利于离子传输和电化学活性位点丰富，用作下一代可充电金属离子电池电极材料的潜力大。然而，COFs仍存在电子导电性差、实际比容量偏小、正极氧化还原电位偏低、循环稳定性较差等问题，其电化学性能与实际应用需求存在较大差距。
图1. COFs分子设计与Core-Shell异质结构调控
本工作结合化学结构设计和微结构调控（图1），原位缩聚制备了具有Core-Shell异质结构的碳纳米管/共价有机框架（HTPT-COF@CNT）复合电极材料。首先，通过分子设计，合成了具有ABC错位重叠式（更小孔道、更大比表面积、更高稳定性）、富含羰基/吡嗪基的HTPT-COFs，提供丰富的电化学活性位点，赋予其高理论容量。其次，HTPT-COFs具有全共轭结构，增强电子离域能力和结构稳定性。再者，HTPT-COF@CNT的核-壳异质结构，显著提高了轴向电子传输和径向离子扩散的能力。
图2. FTIR、XRD和理论模拟揭示储锂机制
研究表明，HTPT-COF@CNT正极的实际比容量大（507.7 mAh/g@0.01 A/g）、倍率性能优异（247.8 mAh/g@20.0 A/g）和循环稳定性高。进一步利用HTPT-COF@CNT的双极性特征，构建了锂离子对称全电池，兼具高能量密度（191.7 Wh/kg）和高功率密度（3.8 kW/kg）。此外，该工作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（图2），全面揭示了共价有机框架材料的锂离子存储机制，为发展高性能有机电极材料提供了重要的理论基础和实践依据。
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