论文信息

研究背景

钠离子电池因其原料储量丰富、成本优势明显，近年来受到广泛关注，被视为锂离子电池在大规模储能领域的重要补充。然而，Na⁺较大的离子半径和较强的溶剂化效应，直接限制了倍率性能和长循环稳定性的提升。共价有机框架（COFs）具有结构可设计、孔径可调、氧化还原位点丰富等优点，是极具潜力的有机电极材料。但传统二维COFs或缺乏规则排列活性位点的三维框架，往往存在钠离子传输效率低、活性位点利用率不足的问题。如何通过精确的结构工程，在三维COFs中构建连续、定向的离子传输通道，成为提升钠离子电池性能的关键科学问题，具有重要的研究意义和实际应用价值。

文章概述

近日，江南大学韩王康副教授、顾志国教授与王清清副教授、乔辉教授研究团队在三维共价有机框架中实现了定向钠离子传输通道的精准构建。他们设计并合成了一对三维COFs（COF-O与COF-H）。在COF-O中，C=O基团被精确取向于孔道内部，成为高效的钠离子存储位点并形成连续传输路径；而对照材料COF-H孔道内仅为C–H基团。作为钠离子电池负极时，COF-O实现了318 mAh/g的高比容量（约为COF-H的1.9倍），并在6000次循环中保持优异稳定性。原位光谱与理论计算表明，定向C=O基团不仅显著提升了电池容量，还加速了钠离子传输动力学。该工作为通过功能基团精准空间取向设计高性能有机电极材料提供了新策略。

图文导读

图1. COF-O和COF-H的合成路线

图2. （a）FT-IR光谱；（b）¹³C固体核磁；（c）PXRD图案及结构精修；（d,e）COF-O和COF-H的局部结构；（f,g）HRTEM及傅里叶变换图像

图3 （a,b）COF-H和COF-O的CV曲线；（c,d）COF-O的b值和电容/扩散贡献；（e）GCD曲线；（f）倍率性能；（g）COF-O的长循环性能；（h）文献比较；（i–k）软包全电池性能测试。

图4.（a,b）ESP图；（c）差分电荷密度；（d）MSD曲线；（e）RDF曲线；（f）EIS曲线；（g,h）原位FT-IR与Raman测试；（i–k）不同充放电状态下的XPS；（l）钠嵌入过程中的结构演化。

结论

研究团队提出了一种通过精准取向功能基团构建三维COFs定向离子传输通道的新策略。不同于传统无序排列的活性位点，该设计使C=O基团定向朝向孔道内部，有效提升了钠离子的存储与传输效率。COF-O负极实现了318 mAh/g的高比容量和6000次超长循环稳定性，同时在软包全电池中展现出良好的实用潜力。研究成果对探索高性能有机电极材料的新型设计方法具有重要的参考和借鉴意义。

期刊介绍

Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由Wiley出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。