黄飞教授、唐浩然博士团队，Journal of Materials Chemistry A研究：全共轭COF材料助力高性能锂电池- 大数跨境

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黄飞教授、唐浩然博士团队，Journal of Materials Chemistry A研究：全共轭COF材料助力高性能锂电池

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2024-11-24

导读：黄飞教授、唐浩然博士团队， Journal of Materials Chemistry A研究论文：全共轭COF材料助力高性能锂电池

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文章信息

高导电性的全共轭共价有机框架作为锂离子电池的优质阴极材料

第一作者：秦旭东

通讯作者：唐浩然*，黄飞*

单位：华南理工大学

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研究背景

锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、长循环寿命和良好的充放电性能而广泛应用于便携式电子设备和电动汽车。然而，随着对更高能量密度和更安全电池的需求增加，传统的LIBs正极材料如磷酸铁锂和三元正极材料已逐渐无法满足市场需求。此外，现有锂离子电池体系难以解决高能量密度与高安全隐患的内在矛盾，急需构筑变革性电池体系以满足新兴应用更为严苛的性能需求。

在这一背景下，全共轭COF材料因其独特的结构和性能，如高化学稳定性、可调节的孔隙结构和高导电性，成为了LIBs正极材料的研究热点。全共轭COFs通过扩展共轭平面和整合氧化还原活性基团，显著提升了其在LIBs中的性能。

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文章简介

近日，来华南理工大学的黄飞教授与唐浩然博士，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Fully Conjugated Covalent Organic Frameworks with High Conductivity as Superior Cathode Materials for Li-ion Batteries”的研究论文。该文章在全共轭共价有机框架（COFs）材料研究领域取得重大进展，开发出具有高导电性和高比容量的COF材料，为高性能LIBs的正极材料提供了新选择。

创新合成方法

研究团队合成了一类新型的三齿单体（TBI），这些单体具有羰基作为活性反应位点，并利用高度可逆的羟醛缩合反应构建了两个[3+2]拓扑COF材料，为SP2型COFs的构建提供了新的思路。这一创新方法不仅拓宽了COFs材料的合成路径，也为未来材料科学的发展提供了新的可能性。

卓越的电导率和高比容量

两种SP2型COFs，TBI-COF-O和TBI-COF-N，均展现出了优异的电导性，分别为7.5 × 10⁻⁴和2.3 × 10^-5 S cm⁻¹。这一性能的实现，为构筑锂电池的高导电正极材料提供了基础。TBI-COF-O和TBI-COF-N的骨架含有高密度的具有高Li⁺氧化还原活性的羰基，这使得它们的比容量分别高达320和265 mAh g⁻¹。这一成果不仅提升了电池的能量密度，也为实现更长续航的设备提供了可能。

Figure 1. 设计和制备六角形COF材料。(a) 在溶剂热条件下合成TBI-COF-O和TBI-COF-N。(b) TBI-COF-O的拓扑结构，(c) TBI-COF-N的拓扑结构（C, 灰色；O, 红色；N, 蓝色；H, 白色）。

Figure 2. (a) TBI-COF-O和(b) TBI-COF-N在77K下的氮气吸附等温线；(c) 使用四点探针法测量压制的TBI-COF-O和(d) TBI-COF-N的电导率；(e) TBI-COF-O和(f) TBI-COF-N在0.5 mV s⁻¹下的循环伏安曲线。

Figure 3. 基于COF的锂离子电池性能。(a) 不同导电碳含量的TBI-COF-O的比容量；(b) TBI-COF-O和TBI-COF-N的倍率性能；(c) 在1C放电率下TBI-COF-O正极的长期循环稳定性；(d) 不同循环次数下TBI-COF-O的电化学阻抗谱，提供了等效电路模型：R1为欧姆电阻，R2为电荷转移电阻，R3为恒相元件阻抗；(e) TBI-COF-O的性能雷达图，蓝色阴影（TBI-COF-N，红色曲线；HATN-AQ-COF，绿色曲线；PT-COF50，紫色曲线）。

Figure 4. (a) 在不同扫描速率下TBI-COF-O的循环伏安（CV）曲线（0.5 mV s⁻¹, 1 mV s⁻¹, 2 mV s⁻¹, 3 mV s⁻¹, 4 mV s^-1, 和 5 mV s⁻¹）；(b) TBI-COF-O峰值电流对数与扫描速率对数的线性拟合；(c) TBI-COF-O的电容和扩散控制过程的归一化容量贡献；(d) 在充电和放电过程中对应的TBI-COF-O的X射线光电子能谱（XPS）能量谱，包括O1s和N1s。

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总结

本研究的亮点在于成功开发了新型sp2-COFs材料，这些材料不仅电导率高，而且具有出色的电化学性能，特别是在锂离子电池（LIBs）正极材料的应用上显示出巨大潜力。TBI-COF-O和TBI-COF-N两种材料的高比容量和良好的循环稳定性。特别地，TBI-COF-O无需额外导电剂即可实现较高比容量的特性。此外，本文提出的锂固定机制为设计多功能LIBs电极材料提供了新的思路，预示着这些材料在未来能源存储技术中的应用前景广阔。

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文章链接

“Fully Conjugated Covalent Organic Frameworks with High Conductivity as Superior Cathode Materials for Li-ion”

https://doi.org/10.1039/D4TA05466K

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通讯作者简介

黄飞教授简介：博士生导师，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授。现任华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室副主任。主要从事有机聚合物光电材料与器件方面的研究，在新型水醇溶界面材料及界面调控方法、新型聚合物光伏材料与器件等方向做出了系列创新成果。曾获教育部首届青年科学奖，美国化学会Arthur K. Doolittle Award奖，两次参与获得国家自然科学二等奖。任高分子学报副主编，Chemistry of Materials、Sci China Chem等刊物编委，中国材料学会高分子分会副秘书长。