近日，云南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（云南省微納材料與技術(shù)重點實驗室）郭洪教授團隊與加拿大兩院院士Western Univ. 孫學(xué)良教授團隊聯(lián)合攻關(guān)，以云南大學(xué)為第一通訊單位，在國際著名期刊ACS Energy Lett. (即時IF=19.78)發(fā)表新能源材料最新突破性進展“ Dual-Active-Site of Azo and Carbonyl Modified Covalent Organic Framework for High-Performance Li Storage ”（ACS Energy Lett. 2020, https://dx.doi.org/10.1021/acsenergylett.0c00069）。博士研究生趙根福和碩士研究生張羽豪為論文共同第一作者，該論文成果得到973計劃、國家自然科學(xué)基金面上項目、云南省科技廳-云南大學(xué)聯(lián)合重點基金、省先進能源材料國際聯(lián)合研究中心、省高校全固態(tài)離子電池重點實驗室項目及云南大學(xué)杰出青年計劃的支持。
作為一種高性能的能量存儲裝置，鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于各類移動電源和其他可再生清潔能源載體上。開發(fā)高性能、可持續(xù)的綠色電極材料對鋰離子電池的發(fā)展至關(guān)重要。與傳統(tǒng)的無機化合物相比，共價有機框架（COF）是一類組分、結(jié)構(gòu)可設(shè)計，強穩(wěn)定性的多孔晶態(tài)框架材料，因其功能性有機單元的框架結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出開放的離子和電子傳輸通道，從而在近年來出現(xiàn)在電化學(xué)儲存的舞臺上。作為一種理想的鋰儲存電極材料，COF仍存在許多亟待解決的問題，如結(jié)構(gòu)強的π-π相互作用導(dǎo)致了低的氧化還原位點利用率，直接影響了其可逆儲能容量。因此，如何精確設(shè)計COF分子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對材料結(jié)構(gòu)層間或內(nèi)部活性儲鋰位點的充分激發(fā)與利用,將對COF類材料在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用開辟新的思路。
基于以上研究現(xiàn)狀和面臨的問題，郭洪教授課題組首次提出了C=O和N=N雙重有效氧化還原位點修飾的共價有機框架（Tp-Azo-COF），并成功應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料中。課題組在前期研究基礎(chǔ)上（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；Hong Guo*, et. al, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10）,通過分子層面的設(shè)計構(gòu)建了獨特的類花狀二維共軛共價有機框架，具有較高的電化學(xué)動力學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明，C=O和N=N雙活性位的引入，顯著增強了COF用作鋰離子電池負(fù)極的電化學(xué)活性和容量。
Tp-Azo-COF材料作為鋰離子電池負(fù)極時，在1000 mA g-1的電流密度下，3000次循環(huán)后保持305.97 mAh g-1的高容量，庫侖效率接近100%，這表明Tp-Azo-COF負(fù)極材料顯示出顯著的超穩(wěn)定性和足夠的反應(yīng)位點。就容量輸出、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能而言，Tp-Azo-COF材料的電化學(xué)性能優(yōu)于LIB中其他最新報道的有機化合物。
該工作通過簡單的合成方法，首次構(gòu)筑了具有C=O和N=N雙重有效活性位點的Tp-Azo-COF鋰離子電池負(fù)極材料。Tp-Azo-COF豐富的C=O和N=N氧化還原位點、大的共軛結(jié)構(gòu)、高的比表面積和多孔結(jié)構(gòu)，有利于高容量的保持和快速的Li儲存。同時，偶氮和羰基單元在增強Tp-Azo-COF結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面也起著重要作用，從而使其成為用于鋰存儲的可靠且可生產(chǎn)的負(fù)極材料。這項工作為開發(fā)低成本，持久循環(huán)穩(wěn)定性和可逆性的可充電電池的先進有機電極材料提供了一種新思路。
