姚长江教授、梅仕林研究员，Angew观点：π-共轭扩展供体-受体COF用于高倍率和高容量锂离子电池- 大数跨境

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姚长江教授、梅仕林研究员，Angew观点：π-共轭扩展供体-受体COF用于高倍率和高容量锂离子电池

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2024-08-17

导读：姚长江教授、梅仕林研究员，Angewandte Chemie International Edition观点：π-共轭扩展供体-受体COF用于高倍率和高容量锂离子电池

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文章信息

π-共轭扩展供体-受体COF用于高倍率和高容量锂离子电池

第一作者：李成球

通讯作者：梅仕林*，姚长江*

单位：北京理工大学

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研究背景

目前商用的无机正极材料已接近其理论容量，且存在提取成本高，资源回收困难以及过渡金属资源危机等诸多问题。近年来，有机电极正极材料被受关注，主要由于有机电极材料具有结构设计多样性，采用轻质元素，理论比容量高，来源广泛，成本低廉，环境友好等优点，被广泛应用于电池领域研究。然而，目前有机电极材料存在循环稳定性差，较低的导电性，低放电平台，和活性官能团利用率低等问题。因此，设计和合成具有高比容量、高放电平台位，和高倍率性能有机电极材料具有挑战。

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文章简介

近日，来自北京理工大学的姚长江/梅仕林团队，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Extending the π-Conjugation of A Donor-Acceptor Covalent Organic Framework for High-Rate and High-Capacity Lithium-Ion Batteries”的观点文章。该文章制备了一种新型供体-受体双极型（苯并[1,2-b:3,4-b':5,6-b'']三噻吩 (BTT) 为p型，芘4,5,9,10-四酮 (PTO) 为n型）有机框架材料（BTT-PTO-COF），该材料具有双极型氧化还原中心，2.97 nm的介孔通道，π电子共轭, 层间π-π堆积，和理想的电子迁移（1.8 cm² V^-1·s^-1），可实现快速且稳定的离子和电子传输过程。双极型氧化还原活性位点，使得BTT-PTO-COF材料在0.2 A g^-1电流条件下的比容量高达275 mA h g^-1，此外，BTT-PTO-COF具有优异的倍率性能（50 A g^-1醚类电解液条件下，比容量容量为79 mA h g^-1），较高的放电平台，和出色的长循环稳定性（10 A g^-1条件下循环5000次容量保持71%）。

图1为BTT-PTO-COF的合成过程和表征结果：包括相应的傅里叶变换红外光谱(FT-IR)谱图，13C固体核磁共振(NMR)谱图，X射线光电子能谱(XPS)图谱，粉末X射线衍射(PXRD)图谱, 氮气吸附等温线，扫描电子显微镜(SEM)图像，透射电子显微镜(TEM)，以及能量色散光谱(EDS)元素分布。

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本文要点

要点一：BTT-PTO-COF在醚类电解液中的电化学性能及动力学分析

图2. (a)扫速率为0.2 mV s^-1时的CV曲线；(b)阻抗图谱；(c) 0.2 A g^-1电流密度下放电/充电曲线；(d)在不同电流密度下的倍率性能；(e) 0.2 A g^-1电流密度下200次长循环图；(g)在10 A g^-1下5000次循环的长周期稳定性；(f)在0.2-1.2 mV S^-1不同扫速下赝电容控制占比。

要点二：BTT-PTO-COF 在碳酸酯电解液中的电化学性能及动力学分析

图3. (a) 扫速率为0.2 mV s^-1时的CV曲线；(b) 不同电压状态下阻抗图谱；(c-d) 0.2 A g^-1电流密度下放电/充电曲线和200圈循环图；(e) 在电流密度下的倍率性能；(f) 在0.2-1.2 mV S^-1范围内不同扫速下赝电容控制占比；(g) 在10 A g^-1下8000次长循环图谱；(h) BTT-PTO-COF材料与文献中具有代表性的COFs正极材料的电池性能比较；(i) 软包电池在0.2 A g^-1下循环100次的性能。

要点三：BTT-PTO-COF 储能机理表征

图4. 电化学机制：(a) BTT-PTO-COF充放电曲线；(b) 非原位FT-IR图谱， (c) 非原位XPS O 1s谱图；(d) XPS P 2p 谱图。

要点四：BTT-PTO-COF DFT计算

图 5. DFT计算：(a-b) LUMO，HOMO和静电势；(b) LOL-π电子离域结构；(d)单层和(e)多层BTT-PTO-COF的能带结构和分波态密度；(f) 储能机理示意图和相应的结合能；(g) 锂化/脱锂过程中结构演变过程。

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文章链接

Extending the π-Conjugation of A Donor-Acceptor Covalent Organic Framework for High-Rate and High-Capacity Lithium-Ion Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202409421

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通讯作者简介

姚长江教授简介：

北京理工大学教授，博士生导师。2013年博士毕业于中国科学院化学研究所，2014至2019年先后在德国雷根斯堡大学、德国维尔兹堡大学、新加坡南洋理工大学从事科学研究，2019年入职北京理工大学。长期从事有机光电能源材料的设计合成及应用，获得包括国家级高层次青年人才、德国洪堡学者、中科院院长优秀奖、入选J. Mater. Chem. C、Sci. China. Chem期刊新锐科学家等多项奖励。

梅仕林研究员简介：

梅仕林，北京理工大学机电学院研究员，博士生导师。从事电化学储能材料，高分子自组装功能材料的研究。2017 年于德国柏林洪堡大学获博士学位。发表 SCI 学术论文 40 余篇。主持国家青年人才项目、国家自然科学基金青年项目，参与完成多项德国自然科学基金和中德联合项目。

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第一作者简介

李成球：本科毕业于北京理工大学，目前为北京理工大学机电学院在读博士研究生，主要研究方向为有机锂离子和锂硫电池正极材料的设计与开发。

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课题组介绍

姚长江教授课题组的研究工作面向光电和储能材料学科前沿和国防军工需求，主要从事有机/高分子功能材料的结构设计、合成及其在光电和储能等领域的应用研究。研究方向主要包括碱金属电池/双离子有机电极材料结构设计，锂硫电池有机正极材料结构设计，近红外发光材料的设计合成及特种能源材料等，近年来在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Nano-Micro Letts., Materials Today., Adv. Sci., Chem. Eng. J., Sci. China. Chem., Small 等国际专业期刊发表SCI论文七十余篇。