近日，我校能源研究院連加彪研究員團(tuán)隊(duì)在化學(xué)與材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）上發(fā)表研究論文“Critical Role of Aromatic C(sp2)?H in Boosting Lithium-Ion Storage”。江蘇大學(xué)為第一完成單位，材料科學(xué)與工程學(xué)院/能源研究院博士研究生高克拉為學(xué)生第一作者，連加彪、南京工業(yè)大學(xué)王川教授和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)武曉君教授為共同通訊作者。
碳材料具有原料豐富、價(jià)格低廉、環(huán)境友好、制備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的負(fù)極材料。然而，石墨的理論比容量(372 mAh g-1)較低，Li+插層動(dòng)力學(xué)緩慢導(dǎo)致倍率性能較差，因此無(wú)法滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的儲(chǔ)能需求。此外，石墨的低嵌鋰電位(~0.008 V vs Li/Li+)容易導(dǎo)致鋰枝晶的形成，最終可能導(dǎo)致電池爆炸。因此，探索高倍率、高安全性?xún)?chǔ)鋰碳負(fù)極材料對(duì)于發(fā)展大功率鋰離子電池/電容器(LIB/LIC)至關(guān)重要。
本工作利用離子催化自模板法合成了富氫碳納米帶（HCNR），實(shí)現(xiàn)了高比容量（1144.2 mAh g-1，0.1 A g-1）、優(yōu)異的倍率性能（471.8 mAh g-1，2.5 A g-1）和循環(huán)穩(wěn)定性能。更為重要的是，作者通過(guò)電化學(xué)原位紅外光譜首次獲得了C–H鍵儲(chǔ)鋰作用機(jī)制的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并明確了碳負(fù)極材料斜坡容量的來(lái)源，即質(zhì)子化的芳香族sp2-雜化碳(C(sp2)?H)通過(guò)雜化到sp3-C進(jìn)行儲(chǔ)鋰。該雜化過(guò)程高度可逆且動(dòng)力學(xué)快速，可顯著提升負(fù)極材料的倍率性能；此外，其相對(duì)較高的反應(yīng)電位(0.1~1.0 V)可有效避免鋰沉積、解決安全問(wèn)題。
圖1. 富氫碳的儲(chǔ)鋰機(jī)理示意圖
圖2. 電化學(xué)原位傅立葉變換紅外光譜圖
在實(shí)際應(yīng)用中，基于富氫碳納米帶負(fù)極的鋰離子電容器器件可以提供198.3 Wh kg-1/17.9 kW kg-1的高能量/功率密度，結(jié)果表明此富氫碳材料在大功率可充電電池/電容器中具有很好的應(yīng)用前景。這項(xiàng)工作證實(shí)了芳香族C(sp2)?H對(duì)儲(chǔ)鋰的關(guān)鍵作用，為斜坡容量的歸屬問(wèn)題提供了新的見(jiàn)解，對(duì)用于高性能二次電池/電容器的“斜坡型”碳材料的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。
圖3. 基于富氫碳納米帶負(fù)極的鋰離子電容器
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。（能源研究院）
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c12051
