贲腾：三维有机合成多孔碳材料用于锂离子电池领域

baoxiaowan

多孔碳材料具有很大的比表面积，对气体、溶液中的无机或有机物质及胶体颗粒等都有良好的吸附能力，是一类重要的化工制品。已经广泛地应用于化工、环保、食品、冶金、药物、军事等各个领域。传统多孔碳一般通过物理/化学活化碳化法、模板法、弧放电或激光烧蚀等方法制备。这些方法无法实现从分子水平上设计、制备多孔碳。而多孔碳的拓扑结构，碳原子杂化方式与宏观性能紧密关联。因此，如何从分子水平上设计、制备多孔碳并控制其碳原子杂化方式一直都是研究者面临的一个巨大挑战。

吉林大学贲腾课题组与英国兰彻斯特大学Abbie Trewin研究团队近期在德国应用化学上（Angew. Chem. Int. Ed. 2018; DOI: 10.1002/anie.201805924）发表题为“A 3D Organically Synthesized Porous Carbon Materialfor Lithium-Ion Batteries”的研究论文为这一难题的解决开辟新的路径。该论文同时被Angew. Chem. Int. Ed. 评选为“VIP”论文（Top 5 %），在国内外引起广泛关注（Altmetric Score = 101），并被时代周刊等媒体报道。

本研究通过合理设计结构基元，通过有机合成方法成功制备了世界首例仅由sp3与sp碳组成的多孔碳材料（OSPC-1），该材料具有较高比表面积和优秀导电性能，用作锂离子电池电极时展现出超高的比容量以及高电流密度下的优异倍率性能，甚至能够完全抑制锂枝晶生长。OSPC-1表现出具有优秀的导电性能。

图1：设计的构建基元以及OSPC-1的合成策略。

石墨是作为应用最广的锂离子电池电极材料，在过充或者低温等苛刻条件下伴随循环次数的增加仍会形成锂枝晶，进而引起短路甚至爆炸等安全事故。OSPC-1的出现为解决这个难题提供了更加安全高效的选择。

OSPC-1具有784 mAh g-1的超高比容量，与依据OSPC-1的理论结构模型计算得到的比容量相符合；同时，其具有完全区别于石墨的锂离子嵌入/脱出机理；并且通过理论模型计算得到的锂离子在OSPC-1电极中的传输高达~4 × 10-4cm2 s-1，可与聚合物电解质相比较，远远高于常规石墨电极材料；更加惊奇的发现是，OSPC-1可以完全抑制锂枝晶的生长；加之其优异的倍率性能，更加证实了其作为锂离子电池负极材料的巨大应用潜能。

此研究成果一方面提供了传统方法无法解决的从分子水平上设计并制备多孔碳甚至控制其碳原子杂化组成方式的策略，为扩展多孔碳材料家族提供了新思路；另一方面OSPC-1在锂离子电池领域的优异性能表现及抑制锂枝晶特点为电极材料提供了更好的选择，也证实了这种新型设计合成多孔碳材料策略的重要性。

吉林大学作为论文第一完成单位，第一作者是吉林大学博士研究生赵自强。吉林大学贲腾，兰卡斯特大学A. Trewin为共同通讯作者。该研究受国家自然科学基金重大项目，面上项目及中法“Zeolite”联合实验室资助。

参考文献：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201805924