綠色低碳能源的深度推廣將進(jìn)一步帶動人們對低成本高能量密度電化學(xué)能源存儲器件的巨大需求。發(fā)展轉(zhuǎn)化型正極材料有望打破資源壁壘、大幅降低電池成本、突破電池能量密度迭代瓶頸，是近年來科學(xué)家廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，有著巨大的發(fā)展前景。但是，長期的研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)化型正極電極反應(yīng)過程中所面臨的體積膨脹收縮、結(jié)構(gòu)和界面穩(wěn)定性、反應(yīng)可逆性等復(fù)雜問題嚴(yán)重影響著電池性能，制約了轉(zhuǎn)化型正極的實(shí)際應(yīng)用。如何解決轉(zhuǎn)化型正極面臨的復(fù)雜科學(xué)問題一直困擾著科學(xué)家。
近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所李玉良院士團(tuán)隊(duì)和文銳研究員團(tuán)隊(duì)開展合作研究，充分利用二維石墨炔碳材料在材料制備、材料結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)方面的特殊優(yōu)勢，成功設(shè)計(jì)了一種石墨炔層層限域的硫化銅中空多級結(jié)構(gòu) （圖1），獲得了豐富的石墨炔新型異質(zhì)結(jié)雜化界面（圖2），實(shí)現(xiàn)了高性能的低應(yīng)變硫化銅正極材料。
圖1. 石墨炔層層限域的硫化銅正極結(jié)構(gòu)示意圖 圖2. 石墨炔保護(hù)的硫化銅正極多級結(jié)構(gòu)表征 圖3. 硫化銅正極的新型異質(zhì)結(jié)雜化界面與長循環(huán)穩(wěn)定性 研究結(jié)果表明，該層層限域的石墨炔界面保護(hù)結(jié)構(gòu)可高效利用石墨炔的平面間原子級選擇性輸運(yùn)、電子離子混合傳輸和二維優(yōu)異力學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，成功避免脫嵌鋰轉(zhuǎn)化反應(yīng)引起的電極結(jié)構(gòu)和界面的坍塌、抑制硫化銅活性物質(zhì)的溶解穿梭、穩(wěn)定電子與離子傳輸通道。石墨炔的新型異質(zhì)結(jié)雜化界面顯著改善相轉(zhuǎn)變反應(yīng)活性和可逆性，有益于提升電池的快速充放電性能和長循環(huán)穩(wěn)定性能。具有該結(jié)構(gòu)的硫化銅正極在1C電流密度下穩(wěn)定循環(huán)3000圈無容量衰減，電池庫倫效率接近100%（圖3），顯示出巨大的發(fā)展前景。 本研究成果為克服多種富有前景的轉(zhuǎn)化型正極材料的復(fù)雜科學(xué)問題提出了指導(dǎo)性策略。 論文信息 A Low-Strain Cathode by sp-Carbon Induced Conversion in Multi-Level Structure of Graphdiyne Xiaoya Gao, Jianxin Tian, Shujin Cheng, Prof. Zicheng Zuo, Rui Wen, Prof. Feng He, Prof. Yuliang Li Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202304491
