成果简介

由于缓慢Li+去溶剂化会导致碳阳极在零度以下电池容量严重下降，迫切需要调节表面的电子构型碳原子向锂离子电池的高容量发展。天津大学Zongjing Lu、北京交通大学王熙、中国科学院化学研究所姚建年等研究人员在《ACS Cent. Sci》期刊发表名为"Riemannian Surface on Carbon Anodes Enables Li-Ion Storage at −35 °C"的论文，研究战略性地合成了一种碳基阳极材料（O-DF），以构建具有正曲率的黎曼表面，该表面具有624 mAh g–1的高可逆容量，随着温度的下降至-20°C在0.1Ag-1时具有85.9%的容量保持率。即使温度降至-35°C，200次循环后可逆容量仍有效保持在160 mAh g -1 。

各种表征和理论计算表明，黎曼表面通过非共面 sp x (2 < x< 3) 杂化轨道以减少电荷转移过程的能垒的速率决定步骤。异位测量进一步证实，五边形缺陷位点的spx -杂化轨道应该表示更多的负电荷，以使吸附在黎曼表面上的溶剂化Li+形成更强的Li-C配位键，用于锂离子去溶剂化，这不仅增强了锂在曲面上的吸附，而且在极冷的环境中也会导致更多的锂离子嵌入。

图文导读

图1. (a) O-DF合成过程示意图。(b-d) O-DF的 SEM、TEM和相应的 SAED 图像。(e, f) 不同放大倍率的O-DF的 HRTEM 图像。(g) O-DF的C、N和Co的元素映射。

图2. (a) O-DF 在-20 °C、0.1mV s –1下的 CV 曲线与室温下的相应曲线对比。(b) O-DF、T-DF、MWCNT和石墨在 -20 °C下 0.1Ag –1循环150次后的恒电流放电曲线。(c, d) O-DF、T-DF、MWCNT 和石墨的循环容量比较 (c) 和归一化容量保持率 (d) 范围为25至-35 °C。(e) O-DF和T-DF在0.1Ag–1下-35 °C的长期循环和效率。

图3. (a) O-DF、T-DF 和石墨的高分辨率 XPS C 1s 光谱。(b) O-DF、T-DF、石墨和金刚石的CK边XANES光谱。(c) 正曲率结构的 C 原子 PDOS。(d) 等值面值为 0.005 e/Å 3的电荷密度分布，对应于正曲率的能量窗口碳(c) 在费米能级附近。黄色代表电子积累。(e)零曲率系统中的sp2 -杂化轨道与正曲率系统中的sp x -杂化轨道的示意图。

图4. (a) O-DF 的电容贡献率以及不同的扫描速率和温度。(b, c) O-DF和T-DF在0.2mV s –1时不同温度下的扩散控制容量和表面控制容量。（c-f）-20°C 下的电化学阻抗谱（EIS）（d），O-DF 电荷转移过程的电荷转移电阻（e）和活化能（f）的模拟 Arrhenius图，T -DF、MWCNT 和石墨。

图5. (a) -20 °C不同充放电状态下O-DF的非原位CK边XANES 光谱。(b) (a) 中相应充电/放电状态下Li-C带的CK边XANES等值线图的详细视图。(c) 累积电荷来源于用于低温锂存储的正曲率结构的sp2/sp3杂化轨道。

文献：
https://doi.org/10.1021/acscentsci.2c00411