近日，我院2021级硕士研究生刘志远以第一作者身份在国际期刊《small》上发表题为“mass loading-independent lithium storage of transitional metal compounds achieved by multi-dimensional synergistic nanoarchitecture”的学术论文。
纳米结构过渡金属化合物(tmcs)具有高的理论比容量和快速的离子传导能力，可以高效、快速地储存锂离子。然而，实际应用下要求的高负载量（厚电极）电极存在明显的离子/电子传输限制，因此纳米结构材料优异的性能往往限于低负载量的电极。此外，实际的电池组成还包括集流体、隔膜、电解质以及电池壳等惰性部件，它们对电荷存储几乎没有贡献。因此，在实际应用中增加电极质量负载以降低非活性组分的比例，才能发挥出纳米结构tmcs的性能潜力。而三维(3d)多孔结构可以促进电子在较厚的电极上的快速传递和离子的充分扩散，这有利于实现在不受电极厚度影响的情况下tmcs纳米材料的充分利用，进而实现质量负载无关的性能。然而，大多数三维多孔电极的合成策略，包括水热法、3d打印、静电纺丝等，都是复杂的、昂贵的，并且均为自支撑结构，与商业的浆料涂覆法不兼容。在此，本工作报道了石墨烯包裹的mno/c微胶囊（capsule-like mno@c-g）的设计和合成，证明了其独特的多维协同纳米结构，实现了tmcs高质量负载下优异的锂离子存储，为高载量tmcs负极的设计及其在储能器件中的应用提供了重要的理论指导。
该论文提出以氧化石墨烯包裹的mn金属有机框架（mn-mofs）为前驱体，经一步热解得到多维协同纳米结构电极capsule-like mno@c-g，实现了质量负载无关的锂离子存储。其中，质量负载由0.7 mg cm-2增加至3.0 mg cm-2（4.3倍）时，该电极的质量比容量几乎不变，容量保持率高达91%，而面积比容量随质量负载和电极厚度呈现出线性增加的趋势；动力学分析表明，表面诱导的赝电容贡献率高达97%；同时，组装capsule-like mno@c-g//licoo2全电池，表现出优异的倍率性能和循环性能。该观点的提出，为实现过渡金属化合物的高质量负载的实际应用提供了有力的指导。
图1 capsule-like mno@c-g的合成与形貌示意图。
山东理工大学材料学院为本文第一署名单位，王东副教授和张睿副教授为本文的共同通讯作者。