近日，清华大学深圳国际研究生院陈振、彭乐乐合作团队提出了一种基于二维垂直梯形聚合物（2DVLP）的阴极材料设计策略，通过构建具有丰富层内孔和结构缺陷、弱层间作用的层状纳米片结构，实现了锂离子的“交叉流动”传输机制。该设计使得锂离子能够沿垂直孔道快速穿透并结合水平插层，显著提升了离子迁移效率。实验表明，该聚合物阴极可在30秒内充电至70%的电量状态（SoC），甚至在–50°C低温下仍能保持优异性能，为下一代高功率有机电极的开发提供了新思路。相关论文以“Ultrafast charging of two-dimensional polymer cathodes enabled by cross-flow structure design”为题，发表在Nature Chemistry上，论文第一作者为邓先明，彭乐乐、陈振为论文共同通讯作者。

　　研究人员选用具有大自由体积的三蝶烯骨架作为构建单元，通过精确的二维聚合策略合成了两种聚合物材料2DVLP-1和2DVLP-2。结构表征显示，这些材料虽存在一定程度的结构无序和缺陷，却恰恰形成了丰富的微孔和介孔结构（图2a–c），为其提供了优异的离子渗透通道。显微镜图像进一步证实了材料的多层二维堆叠形态和局部孔道结构（图2d–k），其中原子力显微镜（AFM）图像显示单层厚度约为4 nm，表面存在约0.94 nm的孔隙，与理论模拟高度吻合。

　　图1 超快充电聚合物阴极的交叉流动结构设计 a. 离子在插层（i）、交叉流动（ii）和穿透（iii）机制中的传输示意图。（i）插层方式：金属离子在层状过渡金属氧化物（如LiCoO₂）中水平插层。（ii）交叉流动方式：金属离子通过层内孔和/或缺陷垂直传输，同时在电活性位点进行水平插层。（iii）穿透方式：金属离子垂直穿过一维通道材料（如LiFePO₄和二维COF）。 b. 2DVLP-1和2DVLP-2的合成路线与化学结构。插图展示了通过醌类基团氧化还原反应进行锂存储的过程。 c. 2DVLP-1（上）和2DVLP-2（下）的空间填充模型，突出层内孔和/或缺陷。原子颜色：碳（蓝）、氢（白）、氧（红）、硫（黄）、其他（棕）。

　　图2 2DVLPs的结构表征 a. 块体2DVLP样品的部分傅里叶变换红外光谱（FTIR），标注了官能团。 b. 块体2DVLP样品的固态¹³C CP/MAS NMR谱图，标注了碳的化学环境。 c. 块体2DVLP样品在0°C下的CO₂吸附-脱附等温线（低相对压力P/P₀下测量）。STP：标准温度和压力。 d. 滴铸在硅片上的²VLP-1分散液的光学显微镜图像。比例尺：50 μm。 e,f. 滴铸在硅片上的2DVLP-1样品的假彩色SEM图像（e）和相应EDX元素分布图（f）。比例尺：2 μm。 g–i. 2DVLP-1多层（g）和单层（i）纳米片在硅基板上的轻敲模式AFM图像（g,i）和高度剖面（h）。比例尺：10 μm（h）和 2 μm（i）。 j. 2DVLP-1单层球棍模型（侧视图）。 k. 2DVLP-1单层在硅基板上的高分辨率AFM图像。比例尺：50 nm。

　　在电化学性能方面，2DVLP-1和2DVLP-2在低电流密度下分别展现出302 mAh g⁻¹和291 mAh g⁻¹的高比容量，能量密度超过750 Wh kg⁻¹（图3a–c）。更令人瞩目的是其卓越的倍率性能：2DVLP-2在100 C高倍率下仍能保持202 mAh g⁻¹的容量，相当于在30秒内充电至70% SoC（图3d）。长期循环测试中，2DVLP-1在3600次循环后仍保持92.9%的容量，表现出极强的稳定性（图3f–g）。

　　图3 2DVLPs的电化学性能 a. 在1.5–3.5 V电位窗口、扫描速率0.2 mV s⁻¹下的循环伏安曲线 A g⁻¹电流密度下的恒电流充放电曲线。 c. 与已报道正极材料（包括TMOs、氧化还原活性聚合物和COFs）在比容量、平均电压和重量能量密度（虚线）方面的对比。 d. 在0.1–100 C倍率下的倍率性能（点）和库仑效率（圆圈）。 e. 重量能量密度与功率密度的Ragone图，附充电时间虚线 C）电流密度下的长期循环（点）和库仑效率（圆圈）。 g. 2DVLPs（实线）与已报道正极材料（包括TMOs、氧化还原活性聚合物和COFs）的容量保持率随循环次数变化的对比。

　　为进一步揭示其超快充电机制，研究团队通过循环伏安和恒电流间歇滴定技术（GITT）分析发现，锂离子存储主要受表面控制的赝电容行为主导，其锂离子扩散系数高达10⁻¹¹ cm² s⁻¹（图4a–c）。DFT计算模拟了锂离子在层间和孔道中的迁移路径，显示其能通过硫杂环中心和氧原子间的低能垒路径（0.20–0.72 eV）实现快速扩散（图4d–e）。通过覆盖还原氧化石墨烯（rGO）阻断垂直孔道的对照实验进一步验证了“交叉流动”机制的关键作用：一旦垂直通道被封闭，离子扩散系数下降超过60%，超快充电能力显著丧失（图4f–h）。

　　在低温环境下，2DVLP-2表现出更优的适应性，在–50°C仍能保持209 mAh g⁻¹的容量（约75% retention），并在3分钟内充电至55% SoC（图5a–c）。活化能分析表明，2DVLP-2具有更低的锂离子脱溶剂化能垒（40.2 kJ mol⁻¹），这得益于其引入的亲锂性硫杂环结构（图5d–e）。

　　图5 2DVLPs的低温性能 a. 在0.15 A g⁻¹（0.5 C）电流密度下，从25°C至–50°C的比容量（柱）和容量保持率（%，点线 C倍率下的倍率性能（点）和库仑效率（圆圈）。 c. 在–50°C、0.9 A g⁻¹（3 C）电流密度下的循环稳定性。 d,e. 通过阿伦尼乌斯定律计算出的锂离子脱溶剂化（d）和扩散（e）的活化能。

　　为实现电极级别的实际应用，团队还开发了一种有机-无机杂化策略，将部分导电剂替换为具有锂存储能力的二硫化钛（TiS₂）。该混合阴极在保持高导电性和赝电容行为的同时，电极级比能量提升至509 Wh kg⁻¹，且在高倍率下仍表现稳定（图6a–e）。雷达图对比显示，2DVLP材料在能量密度、功率密度、快充能力、循环寿命、低温性能等多方面均优于传统过渡金属氧化物和二维共价有机框架材料（图6f）。

　　图6 电极级比能量的提升 a. 有机-无机混合阴极结构示意图。 b. 2DVLP-2/TiS₂混合阴极的SEM图像和EDX元素分布图。比例尺：5 μm。 c. TiS₂、2DVLP-2和混合阴极在1.5–3.5 V窗口、30 mA g⁻¹电流密度下的恒电流充放电曲线。容量按阴极总质量（除集流体外）归一化。 d. 含TiS₂（50 wt%）、2DVLP-2（50/65/80 wt%）和2DVLP-2/TiS₂（50/30 wt%）混合阴极在15–3000 mA g⁻¹电流密度下的倍率性能（点）和库仑效率（圆圈）。 e. 混合阴极在150 mA g⁻¹电流密度下的循环性能。 f. 雷达图对比2DVLP（ii）与TMO（i）和COF（iii）阴极在能量密度、功率密度、快充能力、循环寿命、低温性能和实用性六项指标上的表现。

　　该研究通过创新的二维聚合物结构设计与交叉流动离子传输机制，成功实现了超高功率、快速充电且适应极端温度条件的有机阴极材料，为开发下一代绿色、可持续的高性能储能系统提供了重要技术路径。未来，此类材料的设计理念有望拓展至多种金属离子电池体系，推动有机电极在高效能源存储中的广泛应用。

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