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基于三聚茚酮COF的高比容量全固态锂离子电池正极材料

随着当今社会的发展,电子化产品更多渗入到人们的日常生活中。除了常见的移动电子设备,诸如智能手机、平板电脑等,电动汽车也随着其续航能力、耐用性增强逐渐取代传统汽车。面对更高的能量存储需求,发展新型电池材料、技术也成为全球科学家广泛关注研究的重点领域。全固态锂离子电池具有高安全性、稳定性以及制备过程简便等优势,是新一代能量存储技术的潜力选择之一。尽管固态电解质材料的研究已经取得了许多突破,面向全固态锂离子电池的电极材料,尤其是高比容量、低成本的正极材料亟需得到开发。


近日,华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室王小慧教授、科罗拉多大学化学系张伟教授、机械系Se-hee Lee教授等人首次报道基于三聚茚酮的新型共价有机骨架材料COF-TRO,并成功将之应用于全固态锂离子电池的正极活性材料。三聚茚酮作为一种共轭稠环结构具有良好的电化学氧化/还原性能,同时具有多羰基反应位点,这些特性使得作为正极材料的COF-TRO有望获得高比容量;得益于共价有机骨架材料轻质、高结晶性等特点,可进一步获得较高得能量密度。为了探索COF-TRO材料锂化反应机理,作者通过电化学方法,结合模型理论计算,发现COF-TRO结构中的三聚茚酮单元具有三个非常接近的LUMO能级结构,也即在较窄的电压范围内即可实现独特的6电子氧化还原过程,有效提高了COF-TRO材料的理论比容量。

图1. PXRD衍射及理论模型


实验发现,采用COF-TRO作为正极活性材料制备全固态锂离子电池的比容量达到268 mAh g-1,值得注意的是这一数值已经非常接近通过化学结构计算所得理论比容量274 mAh g-1 (97.5%),这一结果也是目前采用共价有机骨架材料作为全固态锂离子电池正极所达最高比容量之一。与此同时,作者通过实验发现材料具有良好的稳定性,在超过100次的充/放电循环后,有效比容量几乎没有发生变化,这一特性也为材料的实际应用提供可能性。在这一工作中,作者不仅报道了具有高比容量的新型共价有机骨架材料COF-TRO,还对三聚茚酮单元的氧化还原过程进行了探究,对未来设计高效全固态锂离子电池材料提供了参考。

图2. 全固态锂离子电池性能及稳定性


这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上,文章第一作者是华南理工大学杨喜业博士、科罗拉多大学博士研究生胡一铭,通讯作者为华南理工大学王小慧教授、科罗拉多大学张伟教授、Se-hee Lee 教授。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Truxenone-based Covalent Organic Framework as All-Solid-State Li-ion Battery Cathode with High Capacity

Xiye Yang, Yiming Hu, Nathan Dunlap, Xubo Wang, Shaofeng Huang, Zhiping Su, Sandeep Sharma, Yinghua Jin, Fei Huang, Xiaohui Wang, Se-hee Lee, Wei Zhang

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202008619


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