东华大学廖耀祖/吕伟课题组ACS Nano：共价有机框架纳米纤维同时作为正极、隔膜和负极材料构建高储能密度、超快充电池

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-10-11 07:10

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随着电动汽车和便携式智能设备的不断发展，对先进储能设备提出了更高的要求。目前开发的电动汽车续驶里程有限，充电时间较长，无法满足广大消费者对续航里程的大量需求。因此，发展高能量密度、长循环寿命的快充电池（Fast-charging batteries, FCB）具有重要现实意义。实现卓越稳定的快速充电性能，关键在于充放电过程中的传质过程优化。目前，研究人员已采取多种策略来分别调节电极和隔膜的快速均匀传质过程。然而，同时构建具有规则有序孔道、大量活性位点及稳定骨架结构的正极、负极以及隔膜材料来实现稳定的超快充电性能仍具挑战。

近日，东华大学材料科学与工程学院、纤维材料改性国家重点实验室廖耀祖/吕伟课题组首次提出一种基于锂离子电池工作机理的全共价有机框架纳米纤维电池（All-nanofibrous COFs batteries, ANCB, 图1）概念以应对上述挑战。基于希夫碱反应，作者设计合成了系列具有特征骨架结构和多孔结构的亚胺基COFs纳米纤维组成，并分别用于正极、隔膜和负极材料（图2）。对于正极材料，三苯胺型COF（AA-COF）具有更宽的分子层间距和多种结合阴阳离子活性位点，结合纳米纤维形貌和多级孔道结构，可提高传质速率并提高能量密度。对于隔膜材料，基于纳米纤维隔膜，设计大尺寸有序微孔/介孔的苯环型COF材料（BB-COF/PAN），便于快速均匀的传质和电解液汲取。其耐高温的骨架结构，可进一步提高快充ANCB的安全性。对于负极材料，作者设计了三嗪型COF材料（TT-COF）纳米纤维材料。纳米纤维独特的形貌和多级孔道结构以及引入的亲锂极性基团和大量存储活性位点可进一步促进传质过程和稳定SEI层形成，确保快充ANCB的稳定性和长寿命（图3）。采用电化学动力学测试（图4）和非原位光谱表征结合理论计算（图5），作者进一步验证了COFs纳米纤维化学骨架结构和孔道结构对充放电过程中的传质优化。电化学测试结果表明，在兼顾高能量密度和高功率密度基础上，ANCB同时展现了出色的快充性能（图6）。在498 W/kg的功率密度下，可实现517 Wh/kg的能量密度。在9771 W/kg的功率密度下，可实现152 W/kg的能量密度，且超快充电时间仅为56秒。该ANCB还具有良好的倍率性能（在300 mA/g时312 mAh/g，在2000 mA/g时132 mAh/g），超长的循环寿命（在5 A/g下，循环5000次的容量衰减率仅为0.014%）和耐高温工作可能性(在5 A/g和100 ℃下，每圈容量衰减率仅为0.56%)。

图1 全纳米纤维COFs电池设计概念图

图2 设计材料的合成路线、结构和形态表征

图3 正极、负极和隔膜材料的电化学性能

图4 正负极材料的离子存储动力学

图5 正负极材料的离子存储机理

图6 ANCB的电化学性能

该论文第一作者为东华大学材料科学与工程学院博士生段举，通讯作者为廖耀祖教授和吕伟讲师。相关成果近期以“Nanofibrous Covalent Organic Frameworks as Cathode, Separator, and Anode for Batteries with High Energy Density and Ultrafast-Charging Performance”为题发表在ACS Nano上。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市优秀学术带头人计划、教育部长江学者奖励计划、上海市自然科学基金、纤维材料改性国家重点实验室基金、中央高校基本科研业务费专项资金等资助。

原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c11262

来源：高分子科学前沿

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