一、研究背景与创新点

• 研究背景：传统锂离子电池受限于钴、镍等金属资源的稀缺性，双离子电池（DIBs）因高工作电压、低成本和环境友好性成为新兴储能技术。然而，石墨负极容量有限（理论容量372 mAh g⁻¹）且存在溶剂共嵌入导致的体积膨胀问题。
• 创新策略：通过调控分子间相互作用，构建具有扩展π-π叠加效应的导电网络结构。首次设计四锂1,4,5,8-萘四羧酸盐（LNTC）与碳纳米管（CNTs）复合物（LNTC@CNTs），利用其多重共轭羧基提供锂存储位点，并通过π-共轭体系的电子离域效应增强导电性和结构稳定性。

二、材料设计与性能优势

1. LNTC特性：
   • 层状结构（层间距约5.2 Å），具有四个羧酸盐活性位点，可逆存储锂离子。
   • 充放电过程中共轭羧基可逆重排为烯醇化物，实现稳定锂存储。
2. LNTC@CNTs复合物：
3. 通过π-π叠加效应与CNTs交织形成导电网络，比表面积提升至27.92 m²/g。
4. 锂离子扩散系数提升至5×10⁻⁸ cm² s⁻¹，电荷转移电阻降低至198 Ω（LNTC为297 Ω）。

三、电化学性能

1. 半电池性能：
   • LNTC@CNTs在1000 mA g⁻¹电流密度下循环400次后容量保持率达96.4%，库仑效率近100%。
   • 速率性能优异：在20-1000 mA g⁻¹电流密度范围内容量为1015-414 mAh g⁻¹。
2. 双离子电池（LNTC@CNTs//EG）：
3. 峰值放电容量达122 mAh g⁻¹，900次循环后容量保持率84.2%。
4. 原位XRD和拉曼光谱证实EG正极可逆存储PF₆⁻，结构稳定性良好。

四、机理研究与理论模拟

• DFT计算：LNTC@CNTs带隙接近零，表明电子导电性增强；锂离子扩散能垒仅为0.42 eV（低于LNTC的0.46 eV）。
• 电荷密度分析：锂嵌入后电子从苯环转移至Li⁺，CNTs的π键促进电荷分散，提升结构稳定性。

五、结论与意义
该研究通过分子设计构建π-共轭有机盐电极，结合电子离域和π-π叠加效应，解决了有机材料导电性差和稳定性不足的瓶颈，为高性能双离子电池的开发提供了新策略。
关键词：π-π叠加效应、共轭体系、电子离域、有机负极、双离子电池
文献来源：Angew. Chem. Int. Ed.2024, 63, e202403775

转自《石墨烯研究》公众号