《Journal of Colloid and Interface Science》：Self?carbonization of rigid planar organic cathode material for efficient sodium-ion battery
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钠离子电池电极材料中，DTQP分子通过刚性共轭结构设计提升电荷传输，结合自碳化形成碳保护层抑制溶解，实现高容量（213 mAh g?1）和长循环稳定性（91.5% 300次后）。全电池测试显示其容量保持率85.3%（1500次循环）。
甘凌霄|何顺奇|李一帆|陈欣|刘晓瑞|朱琳娜|吴飞
中国重庆市西南大学材料与能源学院先进材料与清洁能源技术重点实验室，重庆400715
摘要
具有高理论容量和可设计性的有机羰基化合物是钠离子电池（SIBs）有前景的电极材料，然而它们在电解质中的高溶解度对循环稳定性构成了挑战。本文提出了一种结合刚性共轭分子结构设计与自碳化过程的协同策略。具体而言，设计了一种新型有机分子（DTQP），该分子具有平面且刚性的共轭融合环结构。扩展的共轭体系和丰富的杂原子增强了分子间相互作用，促进了电荷传输。随后，通过自碳化在材料表面形成一层薄碳层（DTQP@C），进一步抑制了溶解并提高了循环稳定性。结果表明，DTQP@C电极在100 mA g?1的电流密度下表现出213 mAh g?1的容量，并在半电池中经过300次循环后仍保持91.5%的容量保持率。在相同条件下，未经处理的DTQP电极的容量为223 mAh g?1，但在100次循环后容量保持率仅为61%。此外，成功组装了全电池，在1 A g?1的电流密度下容量为75 mAh g?1，并在1500次循环后容量保持率为85.3%，显示出其在实际应用中的潜力。本研究整合了分子设计与自碳化技术，为同时实现钠离子电池的高倍率性能、高容量和增强稳定性提供了新的见解。
引言
近年来，由于钠资源的丰富和广泛分布以及钠离子电池（SIBs）与锂离子电池（LIBs）相似的能量存储机制[1]、[2]、[3]、[4]，钠离子电池受到了关注。与Li+（0.76 ?）相比，Na+（1.02 ?）较大的半径可能在Na+的插入/抽出过程中导致刚性结构电极材料的不可逆相变，从而降低电池的循环稳定性[5]、[6]、[7]、[8]。相比之下，有机电极材料（OEMs）通过弱的范德华力相互作用，使得分子间距离较大，能够提供足够的自由空间来容纳Na+，并在充放电循环过程中保持结构稳定性[9]、[10]、[11]。此外，OEMs通常由C、H、O、N和S等轻质元素组成，通常环保且分子结构多样；而且其性质可以通过结构修饰轻松调整[12]、[13]、[14]、[15]。
然而，有机化合物的电子导电性仍然较低[16]。同时，有机固体的弱范德华力容易被溶剂分子破坏，导致OEMs在有机电解质中溶解并引起容量衰减[17]、[18]、[19]。为了解决这些问题，预计在分子水平上设计高度共轭的结构可以增强导电性并降低材料在电解质中的溶解度[20]、[21]。此外，还开发了其他策略来提高导电性和防止电极材料溶解，包括盐的形成、复合材料的构建以及电解质的优化[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。最近的研究表明，通过在惰性气氛中精确控制分解温度，可以在OEMs表面生成一层薄的碳保护涂层。由于碳涂层直接从OEMs获得，这种策略也被称为表面自碳化[30]。通过碳化形成的碳层可以有效抑制OEMs的溶解[31]。例如，郭等人设计了一种新的可溶性小分子有机化合物[N,N′-bis(2-蒽醌)]-1,4,5,8-萘四羧二酰亚胺（NTCDI-DAQ），并通过自碳化形成了30–40 nm厚的碳层。NTCDI-DAQ@C在1 A g?1?1i]二噻吩[3,2-a:2′,3′-c]吩嗪-8,17-二酮（简称DTQP）。DTQP结构含有羰基和亚胺官能团，这些官能团作为电化学活性位点；杂原子增强了分子间相互作用，扩展的π-共轭结构促进了电荷传输[34]、[35]。为了进一步提高材料稳定性，采用了自碳化策略，成功获得了DTQP@C。在钠离子半电池中，DTQP@C在100 mA g?1?1?1?1；而且，在第1000次到第3000次循环之间，DTQP@C的平均容量衰减率仅为0.003%。进一步地，使用Na3Bi作为阳极组装了钠离子全电池，比容量为161 mAh g?13Bi的全电池在1 A g?1
合成与表征
合成与表征
如图1a所示，DTQP通过TABQ和BDTD之间的简单脱水缩合反应合成[36]。TABQ的氨基与BDTD的羰基反应，形成基于酰亚胺的刚性共轭融合环结构。图1b展示了反应物TABQ、BDTD和目标化合物DTQP的X射线衍射（XRD）图谱。TABQ的特征峰分别位于2θ = 13.4°、14.0°、26.8°和29.4°。对于BDTD，其特征峰...
结论
在这项工作中，开发了一种具有融合环结构的刚性共轭羰基化合物（DTQP）作为钠离子电池的负极材料。随后，通过表面自碳化制备了DTQP@C以增强电化学性能。这一策略有效抑制了电极材料的溶解，同时保持了高容量和快速的离子传输路径。结果，DTQP@C电极表现出213 mAh g?1
作者贡献声明
甘凌霄：撰写——原始草稿、软件、方法学、数据管理、概念化。
何顺奇：软件、形式分析、数据管理。
李一帆：验证、方法学。
陈欣：验证、软件。
刘晓瑞：软件、资金获取。
朱琳娜：撰写——审稿与编辑、项目管理、形式分析、概念化。
吴飞：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取、形式分析、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了重庆市大学生创新创业培训计划（S202510635149）的支持。作者还感谢中央高校基本科研业务费（SWU-XDJH202314）的支持。
