首页 > 行业资讯 > 【能源】可用于锂离子电池负极的金属有机框架材料的构筑与性能调控

【能源】可用于锂离子电池负极的金属有机框架材料的构筑与性能调控

时间：2023-05-27 来源：浏览：

【能源】可用于锂离子电池负极的金属有机框架材料的构筑与性能调控

X-MOL资讯

X-MOL资讯

微信号 X-molNews

功能介绍 “X-MOL资讯”关注化学、材料和生命科学领域的科研，坚持“原创、专业、深度、生动”。公众号菜单还提供“期刊浏览”等强大功能，覆盖各领域上万种期刊的最新论文，支持个性化浏览。

收录于合集

调节金属有机框架材料(MOFs)的配体结构和配位环境是提高锂离子电池(LIBs)负极性能的有效途径。近日， 南京大学 化学化工学院 左景林 教授、 李承辉 教授、袁帅教授和 南京理工大学苏剑 教授合作，基于新型四硫富瓦烯苯八羧酸配体的设计合成，成功制备了一系列结构相似的三维氧化还原活性MOFs材料。在配体设计与配位环境调控基础上，所获得的MOFs材料具有优良的锂离子电池负极性能。

图1. 配位调控MOFs材料应用于锂离子电池负极的锂离子存储机制机理图。

基于羰基的有机材料不仅表现出优异的氧化还原活性，还具有激发芳环上锂离子存储的能力，近年来受到研究人员的广泛关注。然而，基于羰基的有机负极材料同时面临着包括导电性能差、反应动力学较慢和电解质中的溶解等问题。以有机共轭羰基为基础设计合成金属—有机框架材料（MOFs），有望克服有机负极材料的缺陷。MOFs材料的结构和功能可以通过自主设计有机配体和选择不同金属离子进行调控，因而MOFs材料应用于锂离子电池负极中具有以下优势：通过设计有机配体以获得更高的理论容量；周期性多孔结构不仅可以抑制有机配体的溶解，同时加速了锂离子的可逆嵌入/脱出速率，以实现稳定快速的氧化还原动力学；MOFs材料的有序结构有助于理解锂离子的储存机理和结构—功能关系。但目前还缺乏系统的工作来展现MOFs材料的优势。

左景林教授团队最新研究就展现了高设计性的MOFs材料用于锂离子电池负极的优势。基于课题组前期四硫富瓦烯多羧酸配体的研究基础，作者合成了新颖的邻位四硫富瓦烯苯八羧酸配体（ o - H ₈ TTFOB）。该分子在同类型四硫富瓦烯多羧酸配体中表现出更好的锂离子电池负极性能。通过溶剂热法，利用 o -H ₈ TTFOB、2,2′-联嘧啶和过渡金属离子（ Zn ²⁺ 、Mn ²⁺ 和Cd ²⁺ ）组装，制备了一系列具有氧化还原活性的三维MOFs材料。值得注意的是，该系列过渡金属离子半径的差异导致Cd- o -TTFOB与Zn/Mn- o -TTFOB的配位环境略微不同，Cd- o -TTFOB结构中 o -TTFO B ⁸⁻ 配体只有两个不参与配位的氧原子，而Zn/Mn- o -TTFOB中 o -TTFO B ⁸⁻ 配体有四个氧原子不参与配位。粉末X-射线衍射和热重测试结果表明该系列MOFs具有很好的酸碱稳定性（pH 3~11）和热稳定性（~320 ℃）。 新型配体较高的连接数以及辅助配体的引入是该系列MOFs具有良好稳定性的关键。

图2. M- o -TTFOB (M = Mn, Zn, Cd) MOFs结构与稳定性表征。

Cd- o -TTFOB和Mn/Zn- o -TTFOB之间羧酸配位的差异显著影响了其作为锂离子电池负极的性能。完全活化后，当电流密度为100 ~ 2000 mA g ⁻¹ 时，Mn/Zn- o -TTFOB的可逆容量为1325/1398 mAh g ⁻¹ ~ 836/813 mAh g ⁻¹ ，相比之下，Cd- o -TTFOB由于缺乏非配位氧原子，其可逆容量仅为502 mAh g ⁻¹ ~ 262 mAh g ⁻¹ 。晶体结构分析、电化学测量和密度泛函理论计算揭示了非配位氧原子对负极性能的关键作用，并解释了锂的储存机制以及扩散动力学和结构-功能关系。该研究表明结构可调的 MOFs作为负极材料应用于LIBs中具有一定优势。