用于极快充电锂离子电池的二维晶态富炔共轭碳质框架

首页 > 行业动态 > 用于极快充电锂离子电池的二维晶态富炔共轭碳质框架

山东大学李国兴教授团队在《先进材料》上报道了一种创新的“分子锁定-编织”合成策略。该策略通过界面配位与偶联反应，成功制备出大面积、高结晶度的二维富炔锂羧酸酯共轭碳质框架（LC-ACF）。该材料具有独特的AB1型有序堆叠和本征介孔，形成了快速的锂离子扩散通道。引入的-COOLi基团显著增强了材料电导率，并能诱导界面动电效应。基于这些优势，LC-ACF作为锂电负极展现出卓越的快充性能：在20 A g⁻¹的超高电流密度下循环30,000次后，容量仍保持360.2 mA h g⁻¹；所组装的LC-ACF||NCM811全电池在20C倍率（1.5分钟充电至62.3%电量）下循环3000次，容量保持率高达90.3%。

研究背景
1. 行业问题：
快充电池的发展受限于电极材料的离子扩散动力学。二维共轭碳质框架（CCFs）是理想候选材料，但大规模制备兼具高结晶度、有序结构和精确官能化的二维CCF薄膜存在巨大挑战。
2. 现有方案：
传统方法（如CVD、界面合成）难以控制缺陷和结晶度，易得到无序结构，且难以实现功能基团的精确引入。
3. 本文创新：
提出“分子锁定-编织”策略。首先利用单体四溴对苯二甲酸锂（TBA-Li）中的-COOLi基团与Cu(II)在液-液界面配位，实现分子“预锁定”，抑制无序生长；随后用1,4-二乙炔基苯（DEB）作为“编织”分子，通过Sonogashira偶联反应“编织”出高度有序的二维晶态框架LC-ACF。

实验内容、测试分析与性能
1. 合成与结构表征：
成功合成面积约110 cm²、厚度约3 nm的连续LC-ACF薄膜。PXRD精修确定其为单斜晶系，AB1堆叠。HRTEM和SAED证实其高结晶单晶特性。BET测试显示材料具有2-4.5 nm的介孔。Raman光谱中极高的G/D峰强度比（6.1）表明缺陷极少。
2. 物化性质分析：
与不含-COOLi的对照材料ACF相比，LC-ACF的电子性质显著提升：带隙从1.78 eV缩小至1.60 eV，电导率从0.0345 S m⁻¹大幅提升至0.682 S m⁻¹。表面性质测试表明，LC-ACF具有更高的Zeta电位（33.6 mV），能诱导电解质产生电渗流，促进体相离子传输。
3. 电化学性能：
LC-ACF负极在0.1至20 A g⁻¹的宽电流范围内均表现出高容量。在20 A g⁻¹下循环30,000次，容量几乎无衰减（360.2 mA h g⁻¹），库仑效率接近100%。与商用NCM811正极组装的全电池在20C极端快充条件下（1.5分钟），仍能提供118.4 mA h g⁻¹的高容量，且循环3000次后容量保持率高达90.3%。

机理分析
作者通过DFT计算和实验深入揭示了性能根源：
1. 构建快速离子通道：
计算表明，-COOLi为锂离子提供了全新的低能垒（0.21 eV）面内传输路径。AB1堆叠使上下两层的-COOLi在垂直方向上对齐，像“梯子”一样连接层间孔道，实现了近乎无势垒的层间扩散。
2. 增强电子传导：
-COOLi的引入促进了π电子离域，形成了连续的π-σ共轭网络，这是电导率提升近20倍的根本原因。
3. 界面调控与动电效应：
高表面电势使LC-ACF能驱动电渗效应，主动泵送电解质，克服扩散限制。同时，-COOLi调控Li⁺溶剂化结构并促进形成富含LiF的稳定SEI层，共同加速了界面离子传输。

总结
本文成功开发了一种“分子锁定-编织”界面合成策略，制备出大面积、高结晶的二维富炔锂羧酸酯共轭碳框架（LC-ACF）。该材料集高电子电导率、有序离子通道、可驱动动电效应、可调控界面化学等优势于一体，作为锂电负极在极端快充条件下（20 A g-1, 20C）展现了前所未有的高容量和超长循环寿命，其全电池和软包电池性能亦十分突出，为开发下一代快充电池负极材料提供了创新思路和优秀范例。

文章标题：Two-Dimensional Crystalline Alkyne-Rich Conjugated Carbonaceous Framework for Extremely Fast-Charging Lithium-Ion Batteries
文章作者：Huang Xiao, Wenjing Zhang, Zhongqiang Wang, Jian Gao, Cong Tian, Xin Cheng, Min Liu, Fang Li, Congying Song, Guoxing Li
DOI：10.1002/adma.202522979
文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202522979

本文为科研用户原创分享，用于学术宣传交流，具体细节请查阅原文。如有错误、侵权，请联系修改删除，未经允许不得复制转载。