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安徽大学张朝峰教授团队《Adv. Mater.》：低体积膨胀的分级多孔有机聚合物负极材料用于快速和持久的钠离子存储

时间：2023-02-14 来源：浏览：

安徽大学张朝峰教授团队《Adv. Mater.》：低体积膨胀的分级多孔有机聚合物负极材料用于快速和持久的钠离子存储

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【研究背景】

日益增长的储能需求和资源供应短缺引发了锂离子电池成本的不断增加，导致其在电动汽车和固定式储能装置中的大规模应用受到限制。钠离子电池（SIBs）由于钠的高丰度和低成本，是一种更具吸引力和竞争力的储能系统。目前，SIBs的研究工作主要集中在探索高性能电极材料，如过渡金属化合物、普鲁士蓝及其衍生物。然而，由于过渡金属资源的不可再生性以及回收利用所需的高昂成本，从长远角度来看传统无机过渡金属基电极材料可能会面临资源短缺的难题。因此，环境友好、储量丰富、结构多样的有机电极材料成为了当前电池领域的研究热点。然而，有机电极材料的低电子导电性和高溶解特性严重限制着钠离子电池的倍率和循环性能。

【工作介绍】

近日，安徽大学张朝峰课题组等人利用聚合反应合成了一种具有共轭和分级结构的多孔有机聚合物负极材料，聚(2,4,6-三(噻吩-2-基)-1,3,5-三嗪)（CPTA）。并且通过原位TEM，非原位光谱以及理论模拟探究了其充放电过程中钠离子的存储机制以及结构演变规律。其独特的分子和空间结构使CPTA具有高的电子/离子传输特性、丰富的活性位、高的结构稳定性以及低溶解特性。结果显示，作为钠离子电池（SIBs）负极时，CPTA表现出优异的倍率和循环性能。该研究工作以“Porous Organic Polymer with Hierarchical Structure and Limited Volume Expansion for Ultrafast and Highly Durable Sodium Storage”为题发表在国际知名学术期刊《 Advanced Materials 》上。安徽大学张龙海讲师、博士生王睿为共同第一作者，安徽大学张朝峰教授、阜阳师范大学康红卫副教授为共同通讯作者。

【内容表述】

1. TA和CPTA的合成及表征

图1 a）CPTA的合成示意图。b）TA和CPTA的FT-IR图谱。c）CPTA的XPS图谱。d-f）C1s、S2p、N1s的XPS图谱。g）TA和CPTA的TGA曲线。

2. CPTA的形貌与孔结构表征

图2 a-e）CPTA的FESEM，元素C、N和S的映射图像以及TEM图像。f，g）CPTA-1、CPTA和CPTA-2的N ₂ 吸附/脱附等温线和孔径分布图。h）CPTA的CO ₂ 吸附/脱附曲线（插图为孔径分布图）。

3. DFT计算

图3 TA和CPTA的理论模拟：a,b）TA和CPTA的HOMO和LUMO，c）态密度，以及d）电负性。

4. 电化学性能表征

图4 a）CPTA电极的CV曲线。b） TA、CPTA、CPTA-1和CPTA-2在0.1 A g ⁻¹ 下的循环性能。c）TA和CPTA在电解液中的溶解照片。d）TA、CPTA、CPTA-1和CPTA-2的倍率性能。e）CPTA与其他有机/无机电极材料的电化学性能对比图。f）CPTA不同扫速的CV曲线及其log i vs. log v曲线。g）CPTA在2 A g ⁻¹ 电流密度下的循环性能。h）不同循环圈数下CPTA的FT-IR图谱。

5. 原位TEM表征

图5 a）原位TEM测试装置示意图。b-l）CPTA充放电过程中的形貌演变。m,n）CPTA充放电过程中的尺寸和体积膨胀变化。o）CPTA与其他有机/无机电极材料的体积膨胀对比图。

6. 非原位光谱表征

图6 a-e）CPTA电极充放电过程的非原位XPS图谱及其官能团变化。f）CPTA电极充放电过程中的非原位FT-IR图谱。

7. 储钠机制与全电池性能研究

图7 a-d）CPTA的储钠机制。e）CPTA的构效示意图。f-h）全电池CPTA//Na ₃ V ₂ (PO ₄ ) ₃ 的电化学性能。

【结论】

本工作通过氧化聚合方案制备了具有共轭和分级结构的多孔有机聚合物负极材料CPTA。其独特的分子和空间结构使CPTA具有高的电子/离子传输特性、丰富的活性位、高的结构稳定性以及低溶解特性。作为SIBs的负极时，CPTA在10 A g ⁻¹ 的高电流密度下，可逆容量高达401 mAh g ⁻¹ ，在2 A g ⁻¹ 的电流密度下连续循环1000次，其容量依然保持在324 mAh g ^–1 。

Longhai Zhang, Rui Wang, Zixiang Liu, Jiandong Wan, Shilin Zhang, Siming Wang, Kang Hua, Xiaohao Liu, Xunzhu Zhou, Xiansheng Luo, Xiaoyang Zhang, Mengge Cao, Hongwei Kang,* Chaofeng Zhang,* and Zaiping Guo, Porous Organic Polymer with Hierarchical Structure and Limited Volume Expansion for Ultrafast and Highly Durable Sodium Storage, Advanced Materials, 2023.

https://doi.org/10.1002/adma.202210082

作者介绍

张朝峰，安徽大学物质科学与信息技术研究院教授，博士生导师，安徽省杰出青年基金获得者，安徽省莱布尼兹材料科学国际联合研究中心副主任。《Materials Today Energy》、《Chinese Chemical Letters》及《eScience》青年编委，《Frontiers in Chemistry》杂志客座副主编。主要研究方向为新型金属离子电池材料及机理等的研究。主持国家自然科学基金面上项目，安徽省杰青项目，安徽省优秀科研创新团队，安徽大学高层次人才启动项目，安徽省留学人员创新项目择优资助计划等十多项。共发表80多篇论文。相关文章发表在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Energy & Environmental Science, Nano Energy, Advanced Functional Materials, Advanced Science, Chemical Science, Chemical Engineering Journal, Journal of Materials Chemistry A, Journal of Power Sources, ACS Applied Materials & Interfaces, Carbon, Energy Storage Materials, Angewandte Chemie International Edition等期刊上。

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