【能源】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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2024-08-21

导读：北京理工大学大学姚长江、梅仕林团队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

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。

近日，北京理工大学姚长江、梅仕林团队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%）。

通过DFT计算表明BTT-COF-M的HOMO与LUMO轨道分别位于BTT（供体）和PTO（受体）单元之上，说明BTT-PTO-COF具有D-A结构，其次通过计算BTT-PTO-COF 的sign(λ2)ρ函数的等值面和BTT-PTO-COF的单层与多层模型的电子能带结构和态密度表明，BTT-PTO-COF存在层间π-π堆积层作用，最后对BTT-PTO-COF的储能机理进行解释。

最后，作者设计双极型氧化还原活性中心BTT-PTO-COF电极材料，引入π共轭和层间π-π堆积策略调节COFs 的电极的组成，具有良好的共轭结构和阴离子/阳离子存储能力，为设计和合成下一代 LIBs 的高性能有机电极材料提供了新的思路。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是北京理工大学博士研究生李成球。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

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

Chengqiu Li, Ao Yu, Wenkai Zhao, Guankui Long, Qichun Zhang, Shilin Mei, Chang-Jiang Yao

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202409421

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。

https://www.x-mol.com/university/faculty/234262

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。

https://www.x-mol.com/university/faculty/215564