Angew. Chem. ：共价有机框架作为酸性碱性水系电池共适应的长循环和高倍率阳极

水系电池由于其固有的安全性、成本效益和无毒性等优点，已成为大规模储能应用的有竞争力的候选者。然而，传统的水系电池负极材料缺乏酸碱共耐受性，在循环过程中存在枝晶、钝化和腐蚀问题。例如，铅阳极通常在酸性条件下工作，过早钝化导致只有200-400圈循环寿命;金属氢化物(MmH)通常适用于碱性条件，而循环时体积的膨胀-收缩对循环寿命有不利影响;锌阳极在弱酸性或碱性条件下工作，但重复的沉积/剥离过程会导致锌枝晶、析氢和腐蚀反应。

共价有机框架(COF)是一种很有前途的电极材料，其结构中具有可设计的活性位点基团(N=N, C=N和C=O)和由精细拼接的有机分子结构块组成的周期骨架。然而，大多数COFs材料在恶劣的化学环境，例如在酸性和碱性环境中面临稳定性差的问题，这使它们无法保持结构完整性。COFs的不稳定性一般来源于将有机分子单元网状在一起的可逆共价键，这种可逆性极大地限制了COFs的化学稳定性。

近日，松山湖材料实验室的吕海明副研究员，广东工业大学的张海燕教授，香港城市大学的支春义教授合作，报道了一种含有吡嗪(C=N)和苯胺(-NH-)基团的共价有机框架(HPP-COF)作为长循环和高倍率的酸性和碱性电池阳极。

HPP-COF通过亲核芳香取代(S_NAr)反应生成，这可以降低共价键的可逆性，生成稳固的-NH-共价链接，为框架提供优异的化学稳定性；其次，HPP-COF的-NH-基团与水分子形成的氢键网络能避免H⁺/OH^–的攻击。HPP-COF的稳固共价键协同氢键网络，可有效提高化学稳定性。此外，氢键网络还促进了H⁺/OH^–通过Grotthuss机制的快速传输。

因此，HPP-COF在酸性和碱性电解质中保持高耐酸碱性，并表现出优越的循环稳定性和速率性能(在1 M H₂SO₄电解质中66.6 mAh g^-1@ 30 A g^-1并且超过40000次循环; 在1 M NaOH电解质中91.7 mAh g^-1@ 100 A g^-1并且在30 A g^-1下超过30000次循环)。该工作为COF材料在酸性和碱性电池中的结构设计和应用开辟了新的方向。

论文信息

A Covalent Organic Framework as a Long-life and High-Rate Anode Suitable for Both Aqueous Acidic and Alkaline Batteries

Yilun Lin, Huilin Cui, Chao Liu, Ran Li, Shipeng Wang, Guangmeng Qu, Zhiquan Wei, Yihan Yang, Yaxin Wang, Zijie Tang, Hongfei Li, Haiyan Zhang, Chunyi Zhi, Haiming Lv

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202218745