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云南大学郭洪教授团队在COFs储能材料方面取得突破性进展

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新材料科讯 2021-05-08 20:16

近日,云南大学材料与能源学院(云南省先进能源材料国际联合研究中心)郭洪教授团队以云南大学为第一通讯单位,在国际著名期刊Advanced Functional Materials(Nature Index收录的期刊,IF=16.83)发表新能源存储材料最新突破性进展“Dual-Active-Center of Polyimide and Triazine Modified Atomic-Layer Covalent Organic Frameworks for High-Performance Li Storage”(Adv. Funct. Mater. 2021, 2101019)。博士研究生赵根福为论文第一作者,郭洪教授为通迅作者。

作为一种高性能的能量存储装置,锂离子电池已广泛应用于各类移动电源和其他可再生清洁能源载体上。开发高性能、可持续的绿色电极材料对锂离子电池的发展至关重要。与传统的无机化合物相比,共价有机框架(COF)是一类组分、结构可设计,强稳定性的多孔晶态框架材料,因其功能性有机单元的框架结构展现出开放的离子和电子传输通道,近年来出现在电化学储存的舞台上。作为一种理想的锂储存电极材料,COF仍存在许多亟待解决的问题,如结构强的π-π相互作用导致了低的氧化还原位点利用率,直接影响了其可逆储能容量。因此,如何精确设计原子层结构的COF分子结构,实现对材料结构层间或内部活性储锂位点的充分激发与利用,将对COF类材料在储能领域的应用开辟新的思路。

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图1 原子层结构E-TP-COF的制备及应用在正极电池中的循环性能

基于以上研究现状和面临的问题,郭洪教授课题组首次提出了C=O和C=N双重有效氧化还原位点修饰的原子层共价有机框架(E-TP-COF),并成功应用于锂离子电池正极材料中。课题组在前期研究基础上(Hong Guo*, et. al, ACS Energy Lett., 2020,1022; Hong Guo*, et. al, Appl. Catal. B:Environ., 2019, 243; Hong Guo*, et. al, Adv. Funct. Mater. 2018, 1707480; Hong Guo*, et. al, Nano Energy 2018, 51),通过分子层面的设计构建了独特的类花瓣二维原子层共价有机框架,具有较高的电化学动力学和结构稳定性。实验结果表明,将原子层结构调控的C=O和C=N双活性位的引入,显著增强了COF用作锂离子电池正极的电化学活性和容量(图1)。

通过机械剥离的方法将团簇状的TP-COF剥离得到原子层(少层)的E-TP-COF材料,当E-TP-COF作为锂离子电池正极时,在200 mA g-1的电流密度下,500次循环后保持96 mAh g-1的高容量,库仑效率接近100%,E-TP-COF材料的电化学性能优于LIB中其他最新报道的有机化合物。这项工作为开发低成本、持久循环稳定性、高容量和可逆性可充电电池的先进有机电极材料提供了一种新策略。

该论文成果得到973计划、国家自然科学基金面上项目、云南省科技厅-云南大学联合重点基金、省先进能源材料国际联合研究中心、省高校全固态离子电池重点实验室项目、云南大学杰出青年计划及云南大学研究生科研创新项目的支持。

来源:云南大学

论文链接

https://dx.doi.org/ 10.1002/adfm.202101019

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