Angew. Chem. :HOF提高Li-CO2电池循环稳定性和倍率性能

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随着社会发展,传统锂离子电池已经远不能满足我们对能源存储的需求。锂二氧化碳电池(Li- CO2)由于高的理论能量密度(1876 Wh kg-1),以及低成本和环境友好等优势被视为很有应用前景的高容量存储体系之一。然而,Li-CO2电池体系中CO2的氧化还原动力学缓慢,从而导致电池倍率能力差,循环稳定性低。这些问题使得要实现Li-CO2电池的实际应用仍然十分具有挑战性。


设计能够促进Li+和CO2输运的多功能高效正极催化剂对于提高Li-CO2电池的循环稳定性和倍率能力至关重要。氢键有机框架材料(Hydrogen-bonded organic frameworks,简称HOF)是一类由有机构筑单元通过分子间氢键自组装而成的有序框架材料,具有成本低、合成条件温和、可循环利用等优点。此外,HOF材料在有机电池体系应用中表现出一定的结构优势,可以实现锂离子的快速迁移和良好的循环稳定性。但迄今为止,HOF在锂-二氧化碳电池中的应用探索还没有过相关报道。



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近日,福建师范大学的张章静教授、程志斌副教授,通过设计一种稳定的HOF基多功能正极催化剂,实现了锂-二氧化碳电池在高倍率条件下的长循环稳定运行。该HOF基多功能催化剂由高稳定性的HOF(HOF-FJU-1)和钌纳米颗粒修饰的碳纳米管复合而成。HOF-FJU-1的引入可以有效改善催化剂对CO2和Li+的传输能力,从而可以实现CO2的高效催化转化。

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具体而言,在催化剂中引入HOF-FJU-1主要有以下优势: (1)多孔HOF-FJU-1具有吸附CO2的能力,有利于提高CO2的转化效率;(2)含氰基官能团的多孔HOF-FJU-1能诱导放电产物均匀沉积,并能一定程度上缓解充放电过程中的体积膨胀;(3)HOF-FJU-1能使钌的d带发生正移,并显著降低碳酸锂形成/分解过程中的反应能垒,形成均匀的高效催化位点;(4)HOF-FJU-1具有规则排列的孔通道,有利于CO2和Li+的高效运输,从而促进CO2氧化还原动力学的进行

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因此,基于HOF-FJU-1的Li-CO2电池能够在400 mA g-1下稳定运行1800小时,即使在高达5 A g-1的高电流密度下也能保持1.96 V的低过电位。该工作为开发基于HOF的锂-二氧化碳电池催化剂提供了重要借鉴意义,也拓宽了HOF在储能领域的应用范围。

文信息

Hydrogen-Bonded Organic Framework to Upgrade Cycling Stability and Rate Capability of Li-CO2 Batteries

Dr. Zhibin Cheng, Yanlong Fang, Dr. Yisi Yang, Dr. Hao Zhang, Zhiwen Fan, Dr. Jindan Zhang, Prof. Shengchang Xiang, Prof. Banglin Chen, Prof. Zhangjing Zhang

文章的第一作者是福建师范大学的程志斌副教授和硕士研究生方燕龙。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202311480



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