鋰離子電池、電動汽車和太陽能已連續(xù)兩年成為拉動中國經(jīng)濟(jì)向前發(fā)展的三大引擎，而超大容量和超長循環(huán)壽命的鋰離子電池的開發(fā)是整個電動汽車發(fā)展的決速步驟，因而鋰離子電池新型正負(fù)極材料及其匹配的綠色電解液成為新能源鋰離子電池研發(fā)的永恒課題。到目前為止，有關(guān)高性能鋰離子電池有機(jī)正極材料的報道不勝枚舉，但由于有機(jī)正極活性材料在電解液中存在易溶解等缺陷，從而使電池實現(xiàn)高放電比容量和長循環(huán)壽命變成一大挑戰(zhàn)。作者經(jīng)過三十多年的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)在有機(jī)正極復(fù)合材料中同時引入能提高放電比容量和循環(huán)穩(wěn)定性的多孔碳材料和能抑制活性物質(zhì)溶解的保護(hù)涂層是至關(guān)重要，也是具有巨大潛在開發(fā)價值的。最近，青島科技大學(xué)高分子學(xué)院王存國、賀愛華教授團(tuán)隊與中科院蘇州納米所李奇、劉立偉研究員所帶團(tuán)隊共同合作，設(shè)計并制備了一種以吸附在多孔碳骨架（HKUST-1-C）中的有機(jī)活性物質(zhì)（DHAQ）為內(nèi)核、TiO2為外殼的新型復(fù)合正極材料（命名為HKUST-1-C@DHAQ@TiO2）。該復(fù)合材料獨特的雙重陷域結(jié)構(gòu)為電池的氧化-還原反應(yīng)提供了較短的Li+/e-擴(kuò)散通道，尤其在電池充放電循環(huán)過程中擁有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使活性物質(zhì)組分既不會發(fā)生溶解也不會發(fā)生分解，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。該復(fù)合正極材料HKUST-1-C@DHAQ@TiO2具有較高的放電比容量（209 mAh g-1，0.1 A g-1）、高的庫侖效率（~100%）、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（在200次充放電循環(huán)后仍具有86%的容量保持率）和出色的倍率性能（138 mAh g-1，1.0 A g-1)。上述性能測試及材料結(jié)構(gòu)表征結(jié)果對電極的氧化-還原反應(yīng)和有機(jī)正極材料在充放電過程中的演化機(jī)制提供了更深入的理解，從而為有機(jī)正極材料在二次電池中的應(yīng)用和發(fā)展起到進(jìn)一步推動作用。
（1）新型有機(jī)復(fù)合正極材料合成
圖1（a）HKUST-1-C@DHAQ@TiO2的合成路線，以及（b）HKUST-1-C@DHAQ和HKUST-1-C@DHAQ@TiO2復(fù)合電極在電池循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)演變。
（2）新型有機(jī)復(fù)合正極材料表征
圖2 (a) DHAQ、HKUST-1-C、a-HKUST-1-C、HKUST-1-C@DHAQ和HKUST-1-C@DHAQ@TiO2復(fù)合材料的XRD圖。(b) HKUST-1-C、aHKUST-1-C、HKUST-1-C@DHAQ和KUST-1-C@DHAQ@TiO2的XPS光譜。(c) HKUST-1-C@DHAQ@TiO2復(fù)合材料Ti 2p的高分辨率XPS光譜。(d) HKUST-1-C和(e) HKUST-1-C@DHAQ@TiO2復(fù)合材料的氮吸附-解吸等溫線，插圖顯示了相應(yīng)的孔徑分布。(f) DHAQ、HKUST-1-C和HKUST-1-C@DHAQ@TiO2復(fù)合材料的熱重曲線。
（3）新型有機(jī)復(fù)合正極材料電化學(xué)性能測試
圖3 (a) HKUST-1-C@DHAQ@TiO2和(b) HKUST-1-C@DHAQ@TiO2正極材料的CV曲線。(c) DHAQ、HKUST-1-C@DHAQ和HKUST-1-C@DHAQ@TiO2正極材料的循環(huán)性能圖。(d) DHAQ、HKUST-1-C@DHAQ和HKUST-1-C@DHAQ@TiO2正極材料的倍率性能。
（4）新型有機(jī)復(fù)合正極材料儲鋰機(jī)制
圖4 (a) HKUST-1-C@DHAQ@TiO2正極材料的傅立葉變換紅外分析。(b) DHAQ中Li+可逆嵌入/脫出機(jī)制示意圖。
該項工作研究成果以Dual-type confinement strategy: Improving the stability of organic composite cathodes for Lithium-ion batteries with longer lifespan為題發(fā)表于化工領(lǐng)域TOP期刊Chemical Engineering Journal，2024,490:151547（中科院分類1區(qū)，影響因子15.1），青島科技大學(xué)為第一合作單位，王存國教授、賀愛華教授和合作單位中科院蘇州納米所李奇研究員為共同通訊作者，該工作得到了國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)項目和山東省重大創(chuàng)新工程及Enchem億恩科新能源材料（山東）有限公司校企聯(lián)合實驗室研發(fā)項目等資助。
論文鏈接：Dual-type confinement strategy: Improving the stability of organic composite cathodes for Lithium-ion batteries with longer lifespan.Chemical Engineering Journal，2024，490：151547.（https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151547）
