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Batteries&Supercaps:共价有机骨架电极材料的合成方法和电化学性能研究进展2023-05-14
共价有机骨架(COFs)是由共价键连接的多孔有机晶体材料由于有机单体的多种可设计性、晶体材料的秩序性和规律性以及共价键形式的多样性,COFs表现出丰富的合成方法和多样化的拓扑结构层间的结晶、孔隙、π-电子共轭体系和π-π堆积等特性赋予了COF材料优异的物理化学性能,特别是在电化学储能方面π-π共轭结构使COF材料具有优异的柔性、机械强度和化学稳定性,是一种很有发展前景的储能材料。因此,COFs可以提供多样化的高速率载流子传输途径,通过调整共轭骨架类型、堆叠之间重叠p电子云以及用官能团修改开放通道等方法,从而提高COFs的性能。

 

 

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南方科技大学卢周广教授课题组在调控有机电化学中间体方向积累了丰富的研究经验,通过砌块尺寸、分子间弱相互作用、分子内p-π/π-π共轭效应和位阻效应调控,实现了对有机电极材料的自由基中间体稳定性和氧化还原活性的调控。近期,总结了近年来基于COFs电极材料的合成方法和电化学性能的国内外研究进展。重点介绍了COFs电极的合成方法、活性位点分布、拓扑结构设计、基本表征方法及其在金属离子(如Li+、Na+、K+、Zn2+、Mg2+、Al3+等)电池中的应用。

COFs具有明确的晶体结构,可以在分子水平上揭示金属离子在通道中的传导机制。虽然COFs电极材料因其固有的优势在金属离子电池中显示出了巨大的潜力,但高性能金属离子电池的有机研究仍处于起步阶段。为了使COFs更好地服务于金属离子电池,总结了提高电化学性能的几种典型常用方法: 1. 增大共轭元尺寸可提高COFs电极中间体的稳定性。COFs中有序的π-π共轭结构为有效的电子传递提供了途径,规则的孔隙排列为增强离子扩散提供了途径;2. 增加氧化还原活性位点的数量和利用率可以提高COFs的容量。通过适当增大COFs通道直径大小,可以提高离子迁移效率,暴露出更多活性位点,从而提高电池的理论容量和长期循环稳定性;3.电极材料导电性差会影响电极内部的电子传递,从而降低电池的倍率性能和可逆容量。通过引入导电元素骨架,如噻吩、吡咯等基团或将其他碳材料作为载体与COFs复合,可以提高电导率;4. 通过理论计算,加快构建单元的选择,降低试错成本。理论模拟可用于预测和确定COFs的活性位点,并了解充放电机制中的自由基转变。COFs电极材料在金属离子电池中具有很大的发展空间,在不久的将来大规模储能应用中具有广阔的应用前景。

文信息

Covalent Organic Frameworks as Emerging Battery Materials

Zhiqiang Wang, Dr. Jing Hu, Prof. Zhouguang Lu

Batteries&Supercaps

DOI: 10.1002/batt.202200545

 

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