近日，我校能源研究院连加彪研究员团队在化学与材料领域顶级期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上发表研究论文“Critical Role of Aromatic C(sp²)−H in Boosting Lithium-Ion Storage”。江苏大学为第一完成单位，材料科学与工程学院/能源研究院博士研究生高克拉为学生第一作者，连加彪、南京工业大学王川教授和中国科学技术大学武晓君教授为共同通讯作者。

碳材料具有原料丰富、价格低廉、环境友好、制备简单等优点，是目前应用最为广泛的负极材料。然而，石墨的理论比容量(372 mAh g^-1)较低，Li⁺插层动力学缓慢导致倍率性能较差，因此无法满足不断增长的储能需求。此外，石墨的低嵌锂电位(~0.008 V vs Li/Li⁺)容易导致锂枝晶的形成，最终可能导致电池爆炸。因此，探索高倍率、高安全性储锂碳负极材料对于发展大功率锂离子电池/电容器(LIB/LIC)至关重要。

本工作利用离子催化自模板法合成了富氢碳纳米带（HCNR），实现了高比容量（1144.2 mAh g^-1，0.1 A g^-1）、优异的倍率性能（471.8 mAh g^-1，2.5 A g^-1）和循环稳定性能。更为重要的是，作者通过电化学原位红外光谱首次获得了C–H键储锂作用机制的直接实验证据，并明确了碳负极材料斜坡容量的来源，即质子化的芳香族sp²-杂化碳(C(sp²)−H)通过杂化到sp³-C进行储锂。该杂化过程高度可逆且动力学快速，可显著提升负极材料的倍率性能；此外，其相对较高的反应电位(0.1~1.0 V)可有效避免锂沉积、解决安全问题。

图1. 富氢碳的储锂机理示意图

图2. 电化学原位傅立叶变换红外光谱图

在实际应用中，基于富氢碳纳米带负极的锂离子电容器器件可以提供198.3 Wh kg^-1/17.9 kW kg^-1的高能量/功率密度，结果表明此富氢碳材料在大功率可充电电池/电容器中具有很好的应用前景。这项工作证实了芳香族C(sp²)−H对储锂的关键作用，为斜坡容量的归属问题提供了新的见解，对用于高性能二次电池/电容器的“斜坡型”碳材料的设计优化具有重要的指导意义。

图3. 基于富氢碳纳米带负极的锂离子电容器

该工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目资助。（能源研究院）

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c12051