Angew. Chem. ：库伦作用促进有机框架中的阴阳离子共储

传统摇椅式二次电池一般是通过单种碱（土）金属阳离子的可逆储存实现能量转化。但在此单离子储存过程中，电极内部存在同种离子之间的库伦斥力，容易导致电极难以兼顾容量和动力学性能。此外，目前商业化的电极材料也已接近其可逆容量的极限。如何突破传统电极体系极限，实现电极反应机制超越，是电极材料化学的一大挑战。

发展阴阳离子共储有望突破传统电极材料的瓶颈，可为高容量电极材料设计提供新机遇。但传统刚性分子骨架一般很难共储具有高电荷密度的阳离子和大体积的阴离子，故急需发展适用的电极材料。近日，华侨大学的陈宏伟团队以多孔有机框架为研究对象，提出了“次级电化学活性模块”（SEBUs）组装的材料设计策略，实现了包括PF₆⁻/Li⁺、OTF⁻/Mg²⁺、OTF⁻/Zn²⁺的离子共储存。

研究人员证实了阴阳离子的共储过程，并发现电极共储阴阳离子时的容量（Dual-host）显著高于其单独分别储存阴离子和阳离子的容量之和（Mⁿ⁺-host和A^–-host）。电化学分析也表明，阴阳离子共储过程存在特殊的动力学平稳期。这些表明阴阳离子在框架中不是割裂的独立储存，而是可以互相促进。结合固体核磁和模拟计算，研究人员认为，除了常见的离子—偶极相互作用之外，阳离子也可以通过框架内的阴离子—阳离子库仑相互作用获得额外的扩散驱动力，从而维持其快动力学。得益于这种库伦作用，有机框架电极材料因此具有大容量和快动力学的特征。

研究表明电极的阴阳离子共储模式展现出与传统不同的电化学机制。为了进一步提高容量，研究人员设计了新颖的三重储存模式，通过激活高压的三嗪P型氧化还原，最终实现了高达878 Wh/kg和28 kW/kg的电极能量和功率密度，且电极循环寿命超过20000次。

论文信息

Ion Co-storage in Porous Organic Frameworks through On-site Coulomb Interactions for High Energy and Power Density Batteries

Wenlu Sun, Congjia Zhou, Yingzhu Fan, Yulu He, Dr. Hui Zhang, Prof. Zhilong Quan, Dr. Huabin Kong, Prof. Fang Fu, Prof. Jiaqian Qin, Prof. Yanbin Shen, Prof. Hongwei Chen

文章的第一作者是华侨大学的博士研究生孙文路。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202300158