第一作者：Qingmei Xu

通讯作者：姜建壮；孙婷婷

通讯地址：北京科技大学

论文链接：https://doi.org/10.1039/D4EE00520A

研究团队通过原位溶剂热合成法成功设计并构建了一系列新型的共价有机框架/碳纳米管（COF/CNTs）复合材料，这些材料作为锂离子电池（LIBs）的正极表现出卓越的性能。特别是，TAPP-Pz-COF-40%CNTs正极在200 mA g−1的电流密度下展现出高达314 mA h g−1的比容量，并且具有737.5 Wh kg−1的高能量密度，这一综合性能在迄今为止报道的所有基于COF的复合LIBs正极材料中是最高的。这项工作不仅为下一代高性能LIBs的有机电极材料的设计和合成提供了新的思路，同时也通过调节COF基电极的分子配置和组成，实现了电极材料在分子层面上的优化。    

为了满足对可充电锂离子电池LIBs更高功率利用的不断增长的需求，大量努力已被投入到设计和合成具有大电流率、快速（充放电）时间、良好循环稳定性和高安全性的新电极材料中。由丰富的轻量组分组成的有机电极材料被认为是具有快速充电功能和高容量的下一代可再生LIBs的优秀电极材料，因为它们具有独特可调的分子结构、基于简单氧化还原反应的促进电化学过程，以及丰富的电活性基团的优势。然而，使用小有机分子作为电极材料的有机电极存在一些固有的缺陷，例如由于在电解液中的溶解而导致的稳定性差和导电性弱，这显著限制了它们的实际应用。最近，通过制备不溶性的聚合物电极材料已被证明是应对上述溶解问题的有效方法。聚合物材料的不溶性是可调控的，且聚合物材料的分子配置可以通过应用各种单体进行化学调节。共价有机框架（COFs）是由有机构建块通过共价键连接形成的明确定义的二维或三维（2D或3D）框架，代表了一类特殊的结晶多孔聚合物，并在开创性的报告中被应用为LIBs的活性电极材料。与传统的小有机分子相比，COFs通常在有机电解液中不溶，这得益于它们坚固的共价键合相互作用带来的提高的化学稳定性。同时，COFs的高比表面积以及特征性的有序和永久孔隙性可以加速电解液传输和离子插入/提取到活性位点。此外，由于合成化学的发展和构建块的多样性，氧化还原功能团可以合理且精确地并入COFs中，从而大幅提高容量。尽管如此，COFs固有的较差电子导电性限制了电子的传输，这导致了进一步提高实际容量的困难。    

研究团队通过调节共价有机框架（COF）的分子配置并结合碳纳米管（CNTs），成功设计了一种新型的双极型COF基正极材料（TAPP-Pz-COF-40%CNTs），用于高性能锂离子电池。这种复合材料具备丰富的有序四方形介孔结构和增强的双活性中心密度，通过π-π相互作用在CNT表面原位集成，从而提高了活性位点的可及性和电荷转移动力学。这些独特的特性使TAPP-Pz-COF-40%CNTs复合材料达到了314 mA h g−1的超高比容量，在200 mA g−1的电流密度下表现出色，这是迄今为止所有有机正极材料中报道的最佳性能之一。此外，TAPP-Pz-COF-40%CNTs电极还展现了卓越的长期循环稳定性，在10000个循环后仍保持了88%的高容量。该工作为设计和合成下一代高性能LIBs的有机电极材料提供了新的思路，并通过同时调节COF基电极的分子配置和组成，实现了电极材料性能的优化。