创新点

       本研究聚焦于共价有机框架（COFs）与碳纳米管（CNTs）复合电极材料在锂离子电池应用中的开发与优化。研究结果表明，将CNTs融入COFs中显著提升了其电化学性能，降低了电荷转移电阻，加快了电荷传输动力学。COFs/CNT复合材料在低电流密度0.05 A·g^-1下实现了307 mAh·g^-1的高比容量，且即使在较高电流密度下仍具有良好的容量保持率。此外，该电极材料具有卓越的循环稳定性和结构稳定性，经1000次充放电循环后未观察到明显的容量衰减。

传统电极材料有限的理论容量是高性能锂离子电池发展的一个重大瓶颈。这些传统材料的能量密度相对较低，并且存在诸如容量衰减、循环稳定性差以及在高需求下充放电速率慢等问题。为了克服这些限制，人们越来越关注开发具有更高理论容量、更快离子传输和更好循环稳定性的新型电极材料。

基于上述背景，青岛科技大学赵英杰课题组采用溶剂热法，设计并制备了TC-COF及其复合材料。通过对比实验和模拟的PXRD图谱验证了TC-COF的结构，模拟结构的顶视图和侧视图展示了TC-COF的AA堆叠模型，进一步确认了其结构特征（图1）。

图1 TC-COF的设计、合成及结构的表征。a） TC-COF合成方案，b) TC-COF的实验和模拟PXRD图谱，c) 采用AA型重叠堆积模型的TC-COF模拟结构的顶视图和侧视图。

文章用扫描电子显微（SEM）和透射电子显微（TEM）表征了TC-COF@XCNT（X=10，30，50）复合材料的形貌。随着CNTs含量的增加，材料颜色逐渐变深。这些图像清晰地显示了TC-COF在CNTs表面的均匀分散，形成了核壳结构，且随着CNTs含量的增加，TC-COF壳层变薄，有利于质量传递动力学（图2）。

图2 TC-COF@XCNT（X=10，30，50）复合材料的形貌表征。a) TC-COF@10CNT的SEM图像，b) TC-COF@30CNT的SEM图像，c) TC-COF@50CNT的SEM图像，d) TC-COF@10CNT的TEM图像，e) TC-COF@30CNT的TEM图像，f) TC-COF@50CNT的TEM图像。

文章系统研究了TC-COF和TC-COF@XCNT（X=10，30，50）复合材料的电化学性能（图3）。随着CNTs含量的增加，峰值电流密度和积分电荷量也有所增加。在这些样品中，TC-COF@50CNT显示出最高的积分电荷面积，这表明与TC-COF相比，其对氧化还原活性位点的利用更为有效。这种增强很可能是由于CNTs提高了复合电极内的电荷传输。在0.05 A·g^-1电流密度下TC-COF@50CNT展现出最高的比容量307 mAh·g^–1。在高电流密度（2 A·g^-1）下进行了长期循环性能评估，TC-COF@50CNT在经过1000次充放电循环后仍能保持148 mAh·g^-1的比容量，突显了其出色的循环稳定性和结构稳定性。TC-COF及其复合材料在0.05~2 A·g^–1的电流密度范围内的倍率性能，TC-COF@50CNT表现出优异的倍率性能.

图3 复合材料的电化学表征。a) TC-COF和TC-COF@XCNT在扫描速率为0.1 mV·s^–1时的第3次循环曲线，b) 在50 mA·g^–1电流下TC-COF和TC-COF@XCNT的充放电曲线，c) TC-COF和TC-COF@XCNT在0.05 A·g^–1电流下的长循环性能，d) TC-COF@50CNT在2 A·g^–1电流下的长循环性能，e) TC-COF和TC-COF@XCNT的倍率性能。

文章揭示了TC-COF储锂机理（图4）。三嗪和吡啶单元中的氮原子可以参与氧化还原反应，与锂离子相互作用，实现高效的电荷转移和存储。在放电过程中，三嗪环和吡啶环被还原；在充电过程中，这些环又被氧化回中性状态。

图4 TC-COF的充放电机制。

本文为“Porous Polymers”专辑特约稿件，硕士研究生吴雨是该论文的第一作者，赵英杰教授、丁乃秀教授和潘庆燕副教授为通讯作者。

Citation:

 Wu, Y.; Liu, H.; Hou, J. H.; Pan, Q. Y.; Ding, N. X.; Zhao, Y. J. Covalent organic framework/carbon nanotube composites for enhanced lithium-ion battery performance. Chinese J. Polym. Sci.  https://doi.org/10.1007/s10118-025-3432-5