氢代石墨炔作为二维碳基柔性电极在锂电和钠电中的应用

　　自Williams等1969年首次报道后，柔性电极材料由于其设计的多样性、灵活性、低成本和环保的特性吸引了诸多科学家的研究兴趣。然而导电聚合物基有机材料所面临的主要问题是较低的能量密度和稳定性。此外，在传统的非水电解质中，其他材料（如有机二硫化物、有机自由基和羰基）本身导电性低且溶解度高。富碳材料或者全碳框架二维材料具有特殊的热/化学稳定性、良好的导电率、高强度以及非比寻常的机械性能（如强烈的剪切变形）。上述优越特性使其有望成为锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）电极。

　　近日，在中科院李玉良院士的带领下，中科院青岛生物能源与过程研究所黄长水研究员（共同通讯作者）和中科院化学研究所合作，专注于提高电导率、容量和良好的体相离子运输的碳材料分子设计，通过在铜箔上进行原位的三乙炔基苯交叉偶联反应制备了碳框架氢取代石墨炔（HsGDY）薄膜，并在Nat. Commun.上发表了题为“Hydrogen substituted graphdiyne as carbon-rich flexible electrode for lithium and sodium ion batteries”的研究论文。上述碳材料薄膜可以作为锂离子和钠离子电池独立的柔性电极，锂离子电池中可逆容量可达到1050 mAh·g-1，钠离子电池中为650 mAh·g-1。电极还显示出优越的倍率和循环性能，应归因于其扩展的π-共轭体系以及高表面积的分层孔隙。

图1 HsGDY的结构和外观

　　a）HsGDY 的合成示意图；

　　b）HsGDY薄膜的数码照片；

　　c）HsGDY中碳和官能团的种类；

　　d）HsGDY 的13C 固态NMR光谱；

　　e）HsGDY的XRD谱线；

　　f）HsGDY 的XPS光谱；

　　g）HsGDY的Raman光谱；

　　h）HsGDY的FT-IR光谱。

图2 HsGDY的形貌

　　a，b）HsGDY的TEM图像；

　　c）HsGDY的横断面TEM图像；

　　d，e）HsGDY的SEM图像；

　　f）HsGDY的横断面SEM图像；

　　g）HsGDY的氮气吸附-脱附等温线；

　　h，i）HsGDY的DFT增量式孔径分布。

图3 HsGDY电极在LIB中的电化学性能

　　a）HsGDY基电极0.1 A·g-1下的充放电曲线；

　　b）LIBs柔性电极的倍率性能；

　　c，d）柔性电极在0.1 A·g-1和1 A·g-1下的循环性能；

　　e）HsGDY储锂机理；

　　f）由HsGDY组成的透明可弯曲LIB。

图4 HsGDY电极在SIB中的电化学性能

　　a）HsGDY基电极0.1 A·g-1下的充放电曲线；

　　b）LIBs柔性电极的倍率性能；

　　c-e）柔性电极在0.1 A·g-1、0.5 A·g-1和1 A·g-1下的循环性能。

　　f）锂离子和钠离子在富碳框架中的扩散途径。

　　该研究通过交叉偶联反应制备了HsGDY薄膜。上述具有多孔结构和芳基氢(Ar-H)的扩展π-共轭碳骨架具有高的比表面积、良好的电化学性能以及大量的活性离子结合位点。此外，导电良好的三维分级多孔结构为电子的跳跃和运输提供了基质，以确保电荷高效收集和扩散。受益于此，该独立的柔性电极可逆和稳定容量得到了极大改善，在LIBs中高于固有碳同素异形体和导电有机分子。100圈循环后SIB中可逆容量高达650 mAh·g-1，在现有报道的柔性电极中是较高的。优越的循环性能、高可逆容量和较高的倍率容量使得HsGDY在LIBs和SIBs中应用前景良好。该新型阳极材料为高性能柔性电极提供了一种新的设计理念。