近日，我?；瘜W學院李陽光、譚華橋教授團隊在高容量鋰離子負極材料研發領域取得重要突破。隨著電動汽車以及各類電子設備的飛速發展和普及，極大推高了人們對高能量密度鋰離子電池（LIBs）的需求。傳統過渡金屬氧化物雖然具有高的理論比容量，但其尺寸通常在數百納米甚至數微米，而鋰離子的有效傳輸距離通常小于20納米，因此導致材料利用率低、電子傳輸性能差，限制了其容量的提高。多金屬氧酸鹽（POMs）作為一類具有亞納米尺寸的金屬氧簇化合物，具有高熱力學、化學穩定性、可逆的多電子氧化還原性能以及離子存儲能力，因此被認為是鋰離子電池最具前景的負極材料之一。但是，傳統晶態多酸比表面積低、電子電導性差、易溶解等系列問題，限制了多酸在鋰離子電池負極材料中的應用。針對上述關鍵科學問題，李陽光、譚華橋教授團隊將多酸與一系列具有高導電性的有機或碳材料相結合，在實現多酸單分散的同時顯著改善了材料的導電性和界面儲能性能，成功開發出一系列高容量多酸鋰離子負極材料，系列研究成果拓展了多酸在離子儲能領域的應用和發展；相關研究成果相繼發表在Advanced Materials、Advanced Functional Materials和Advanced Science等頂級材料期刊上。
圖1 PMo12/CoTPyP鋰離子電池的相關研究成果
采用金屬卟啉（CoTPyP）與Keggin型多酸（PMo12）通過靜電共組裝，成功構筑了一系列新型卟啉-多酸自組裝材料。在材料中，卟啉將多酸單分散，而其共組裝所形成的亞納米通道以及多酸與卟啉的協同儲能，大幅提高了材料的電子/離子傳導性、鋰離子存儲容量和氧化還原反應速率。優化后的PMo12/CoTPyP，在0.125 A g?1電流密度下能獲得1398 mAh g?1的比容量，并能實現800圈的超穩定循環服役性能。這項工作為合成同時具有高分散性、氧化還原活性和穩定性的POMs基負極材料鋪平了策略。該成果以“Co-Assembly of Polyoxometalates and Porphyrins as Anode for High-Performance Lithium-ion Batteries” 為題，發表于國際著名期刊Advanced Materials，論文的第一作者為化學學院博士研究生劉彥春、周香港、邱天宇；通訊作者為化學學院李陽光教授、譚華橋教授，李英奇副教授。
為了實現多釩氧簇的完全利用，團隊使用胺基功能化的多釩酸鹽(POV)，(NH4)2[VIV3VV3O10{NH2C(CH2O)3}3] (tris-V6O19)作為節點，與有機連接單體1,4-bi(3-dimethylamino-1-oxoprop-2-enyl)benzene (BDOEB) 通過邁克爾加成消除一步水熱法，制備了首例3D共價POV-有機框架材料，命名為POF-1。POF-1的結構通過同步輻射全散射原子對分布函數（PDF）得到了精確解析，它實現了對POV團簇的完全單分散和穩定固載，呈現為3D非互穿型dia拓撲結構。其開放和連通的孔道結構使tris-V6O19單分子團簇得以充分暴露，這有利于VIV/VV活性組分的完全利用，同時促進其表面的快速傳質。因此，POF-1作為鋰離子電池中的負極材料展示出超高的儲鋰性能和循環穩定性。該成果以“Three-Dimensional Covalent Polyoxovanadate-Organic Framework as Anode for High-Performance Lithium-Ion Batteries” 為題，發表于國際著名期刊Advanced Functional Materials，論文的第一作者為化學學院博士研究生趙英男、李文亮副教授、李英奇副教授；通訊作者為化學學院李陽光教授、譚華橋教授和內蒙古大學張江威研究員。這項工作為高效、綠色合成新型3D 共價多酸-有機框架材料開辟了新的途徑，在儲能領域顯示了廣闊的應用前景。
此外，為了簡化合成工藝，團隊提出采用碳量子點分散并穩定多酸K7MnV13O38 (記為MnV13)，通過冷凍干燥法，成功制備了系列多酸-碳點復合鋰離子電池負極材料。優化后的MnV13/10CDs負極在0.1 A g?1的電流密度下展現出高達1348 mAh g?1的放電容量，并表現出卓越的倍率性能和循環穩定性。該成果以“Monodisperse Manganese-Vanadium-Oxo Clusters with Extraordinary Lithium Storage” 為題，發表于國際著名期刊Advanced Science，論文的第一作者為化學學院博士研究生唐文思、邱天宇；通訊作者為化學學院譚華橋教授，李英奇副教授、王永慧副教授。該研究提供了一種簡單、快速和有效的方法來實現POM簇的單分散，并觸發理想且可觀的多酸-碳點界面儲能。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202407705
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202306598
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202402616
