陈军教授Small：一石二鸟：石朱烯剥离酞菁基COF真现锂离子电池下离子电导率战快捷反映反映能源教 – 质料牛

2024-11-10 16:28:31 分类： 阅读(22)

【文章疑息】

一石二鸟：石朱烯剥离酞菁基COF真现锂离子电池下离子电导率战快捷反映反映能源教

第一做者：赵建军，陈军周苗苗

通讯做者：陈军*，教授基C教质李玉涛

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单元：江西理工小大教，鸟石能源中国科教院物理钻研所

【钻研布景】

两维层状COFs具备用于电荷传输的功能π电子共轭系统战沿层重叠标的目的的凋谢通讲。可是剥离，COFs的酞菁慎稀散积的2D层挨算，特意是锂离率战料牛正在具备强π-π相互熏染感动的一再散积格式下，离子迁移将履历一条冗少的电池电导蹊径，沿着凋谢通讲抵达深埋外部的下离行动中间，纵然正不才电流稀度下，快捷锂离子也易以渗透深埋于层间外部的反映反映活性中间。那将不成停止天导致氧化复原回回素性位面的陈军操做不敷，从而降降2D COF的教授基C教质储锂容量。本篇不雅见识提醉了操做多活性有机共轭羰基删减活性位面，鸟石能源散漫石朱烯后退复开质料的朱烯真现导电性，同时将石朱烯做为分说介量降降块状COF（PMDA-NiPc）的散积水仄从而患上到小体积、少层的COF-G（PMDA-NiPc-G），缩短离子散漫蹊径，后退离子电导率、快捷反映反映能源教从而真现下容量、小大倍率。本文钻研不但为下功能有机背极的设念提供了珍贵的履历，而且为COF的功能化设念战斥天提供思绪。

【文章简介】

远日，江西理工小大教的陈军教付与中国科教院物理钻研所的李玉涛钻研员开做，正在国内驰誉期刊Small上宣告题为“Two Birds One Stone: Graphene Assisted Reaction Kinetics and Ionic Conductivity in Phthalocyanine-Based Covalent Organic Framework Anodes for Lithium-ion Batteries”的钻研文章。该钻研报道了一种“一石二鸟”的妄想合计，同时真现离子电导率战反映反映能源教赫然后退，并掀收了酞菁基COF做为锂离子电池电极质料的容量增强机制战锂存储机制，系统天讲明了PMDA-NiPc战石朱烯正在复开质料中各自的容量贡献。钻研团队操做石朱烯做为分说介量，削减小大块COFs的散积，患上到小体积、少层的COFs，缩短离子迁移蹊径，后退锂离子正在两维(2D)网格层状挨算中的散漫速率。PMDA-NiPc-G的锂离子散漫系数(D_Li+)为3.04 × 10⁻¹⁰ cm² s⁻¹，是PMDA-NiPc(0.84 × 10⁻¹⁰ cm² s⁻¹)的3.6倍。使患上PMDA-NiPc-G正在300次循环后可能真现1290 mAh g^-1的下可顺容量，而且正在接上来的300次循环中多少远出有容量衰减。该策略对于降降COFs的慎稀散积水仄，后退活性位面操做率，增长有机电极质料的去世少具备潜在的价钱。

【本文要面】

要面一：具备多羰基活性位面的小体积、少层酞菁基COF的设念

以酞菁的小大π共轭系统为底子，正在挨算设念上引进多活性羰基战石朱烯，本位反映反映将Pc-COFs与石朱烯复开，制患上PMDA-NiPc战PMDA-NiPc@G两种共价有机框架电极质料。操做多活性有机共轭羰基删减活性位面，散漫石朱烯后退复开质料的导电性，同时将石朱烯做为分说介量降降块状共价有机框架质料的散积水仄从而患上到小体积、少层的Pc-COFs，缩短离子散漫蹊径，提降锂离子正在两维网格层状份子挨算中的散漫速率去患上到下容量、小大倍率的电化教功能。分解的PMDA-NiPc具备3.2 nm介孔的骨架挨算，有助于电解量散漫战进进其歉厚的氧化复原复原羰基活性中间；PMDA-NiPc具备典型的两维网格层状AA散积型挨算，那类仄均的层层重叠挨算的的两维摆列小大小大利便了载流子的运输战锂离子的分层存储。

石朱烯的本位复开减进了削强有机质料的群散效应，停止了小大块COF的组成，导致PMDA-NiPc趋向于更小，层状更少，比概况积删减。稀度泛函实际(DFT)合计隐现从石朱烯到PMDA-NiPc的部份电荷经由历程共轭挨算与转移到PMDA-NiPc的最低已经占有份子轨讲，后退了PMDA-NiPc份子的晃动性，增长了PMDA-NiPc中的电子传导。辨此外小体积PMDA-NiPc慎稀附着正在石朱烯概况，一些进进石朱烯层的外部。石朱烯层上的能谱(EDS)元素映射隐现C、N、O战Ni元素扩散仄均，证清晰明了PMDA-NiPc正在石朱烯概况的非均量成核战天去世。强共轭相互熏染感动使PMDA-NiPc与石朱烯层慎稀散漫，正在石朱烯概况睁开了少层或者多层，从而使PMDA-NiPc分说。

图1. PMDA-NiPc战PMDA-NiPc@G的制备示诡计及表征测试。

图2. PMDA-NiPc战PMDA-NiPc@G的DFT合计及XPS图谱。

图3. PMDA-NiPc战PMDA-NiPc@G的微不美不雅挨算表征。

要面两：PMDA-NiPc战PMDA-NiPc@G的电化教功能

正在剥离战分说PMDA-NiPc后，PMDA-NiPc- g患上到了下比概况积战歉厚的可用活性位面。实用减沉了SEI膜激发的不成顺容量益掉踪，使PMDA-NiPc-G的ICE正在PMDA-NiPc的底子前途步了5.1%。PMDA-NiPc-G的复开容量可能看做是PMDA-NiPc战石朱烯组分的配开贡献，石朱烯正在经暂循环中展现出≈315 mAh g⁻¹的可顺容量，而不会隐现素量性的容量衰减。因此，PMDA-NiPc正在复开质料中的容量贡献可能经由历程PMDA-NiPc与石朱烯的份量比去合计。事实下场合计出PMDA-NiPc正在600次循环后可能真现1861 mAh g⁻¹的颇为小大的可顺容量贡献，比石朱的可顺容量下5倍。复开质料的下可顺容量贡献应尾要回功于剥离战分说后挨算中夷易近能团的实用操做，它们充真减进了锂离子的贮存。随着循环的妨碍，PMDA-NiPc战PMDA-NiPc@G皆具备无同的较小Rct，批注电极正在循环历程中逐渐激活。与PMDA-NiPc比照，PMDA-NiPc- g正在任何形态下的Rct值皆要低良多，那一赫然下风可能被辨感应石朱烯的分说、剥离效应，那使患上离子转移蹊径更短，降降了电荷转移阻抗。PMDA-NiPc-G电极质料正在1次循环战500次循环时的D_Li⁺均远下于PMDA-NiP，且D_Li⁺随着循环有逐渐删减的趋向，申明从分解工艺角度对于质料挨算妨碍公平设念，可能正在确定水仄前途步锂离子散漫系数。正在设念齐电池时N/P与1.1，将PMDA-NiPc-G背极与NCM-811战LiFePO₄ (LFP)组拆玉成电池也展现出劣秀的电化教功能，其中背极里积稀度可救命为≈3 mAh cm^-2的里庞量背载，特意是PMDANiPc-G/NCM-811齐电池正在50次循环后贯勾通接≈100%的容量。

图4. PMDA-NiPc战PMDA-NiPc@G的半电池电化教功能。

要面三：PMDA-NiPc@G的快捷反映反映能源教

初初PMDA-NiPc-G电极的峰值电流与扫描速率的仄圆根呈线性关连，批注此时的氧化复原复原反映反映能源教受散漫克制。经由一再循环后，PMDA-NiPc-G电极的氧化复原复原反映反映能源教从最后的散漫克制修正成概况克制。那类历程修正的原因概况是活性物量的逐渐活化，正在循环历程中容量逐渐删减。PMDA-NiPc-G初初战500次循环后电极的氧化复原复原峰b值分说为0.7四、0.73战0.8八、0.83，批注初初电极上的氧化复原复原反映反映能源教以法推第型为主，而循环后电极上的氧化复原复原反映反映能源教以电容型为主。随着扫描速率的删减，循环先后两电极的电容贡献之比逐渐删小大。此外，500次循环后电极的赝电容贡献远远小大于吸应的初初电极。从初初到250次循环后，PMDA-NiPc-G电极的电化教能源教动做从散漫克制为主修正成概况克制为主。赝电容贡献百分比越下，对于锂离子散漫速率的贡献越赫然，电极质料事实下场展现出劣秀的电化教功能，那是PMDA-NiPc-G劣于PMDA-NiPc的循环功能战倍率才气的闭头。

图5. PMDA-NiPc-G正在不开扫描速率的CV直线战峰值电流与扫描速率或者扫描速率仄圆根的对于应线性拟开。

要面四：PMDA-NiPc的储锂机制及各组分容量贡献占比

操做XPS光谱钻研了C、N、O元素正在不开充放电形态下的价态修正，证清晰明了中苯环的C=C、C=O、N=C减进了脱嵌锂反映反映而且具备卓越的可顺性。经由历程稀度泛函实际(DFT)合计，从实际上商讨了锂化-往锂机理。基于每一个PMDA-NiPc单体的7步锂化-脱锂历程，共有52个的锂存储位面。52个锂离子存储可能小大致分为7个法式圭表尺度，从那些魔难魔难数据可能合计出每一个锂离子的魔难魔难放电容量为47 mAh g⁻¹。电背性最强的O簿本起尾与锂离子散漫，而对于苯环与其相邻的C=N基团之间的共轭系统，吸电子的N基团更有利于与金属离子散漫，导致锂劣先插进C=N基团而不是苯环中。正在2.8-1.18 V的电位窗心内，可能不雅审核到第一阶段约256 mAh g - 1的锂离子存储，那与活性羰基(C=O)上的8个锂离子存储(法式圭表尺度一)相不同。因此，如下法式圭表尺度(II - VII)可能小大致回果于C=N基团战苯环上的渐进锂存储，6个锂存储(法式圭表尺度两)，16个锂存储(法式圭表尺度三)，8个锂存储(法式圭表尺度四)，8个锂存储(法式圭表尺度五)，正在1.18 ~ 0.8六、0.86 ~ 0.2一、0.21 ~ 0.0九、0.09 ~ 0.04三、0.043 ~ 0.01 V电压窗内，分说隐现了6个锂存储(法式圭表尺度VI+VII)，相宜52个锂存储机制。

为了深入体味循环历程中C=N基团、活性羰基C=O战苯环上锂存储的容量贡献率，即正在不开的循环阶段，不开典型的锂存储面的实用操做率，详尽钻研图7 (b-d) 中循环容量修正临界面PMDA-NiPc贡献的放电直线收当初不开阶段，特意是低电位窗心，容量赫然删减。正在第274次、第177次、第20次循环中，苯环对于储锂容量的贡献比例分说为约77.2%、76.6%、70.3%，批注容量删量的尾要贡献也去自苯环上的储锂效应。正在第274圈、177圈、第20圈循环中，PMDA-NiPc中C=N基团上的储锂容量贡献分说为25三、18五、87 mAh/g，分说至关于C=N基团上残缺六个锂离子存储容量的约95.2%、69.6%、约32.7%；C=O基团上的储锂容量贡献分说为16五、13二、99 mAh/g，分说至关于C=O基团上残缺四个锂离子存储容量的约93.1%、74.5%、约55.9%。上述下场批注，正在多少回的循环历程中，C=N基团、C=O基团战苯环皆履历了一个逐渐激活的历程，那是循环历程中容量逐渐删小大的直接原因。

图6 a) PMDA-NiPc单体锂化各阶段的HOMO-LUMO间隙。b) PMDA-NiPc单体锂化各阶段的反映反映逍遥能(ΔG)。c) PMDA-NiPc正在放电战充电循环中逐渐锂化战衰减的示诡计。

图7 PMDA-NiPc-G中PMDA-NiPc容量贡献的放电直线：(a)第600圈，(b)第274圈，(c)第177圈，(d)第20圈循环。

【文章链接】

Two Birds One Stone: Graphene Assisted Reaction Kinetics and Ionic Conductivity in Phthalocyanine-Based Covalent Organic Framework Anodes for Lithium-ion Batteries

https://doi.org/10.1002/smll.202303353

【通讯做者简介】

陈军教授简介：2009年结业于中国科教院化教钻研所，有机化教专士教位。2014年减进江西理工小大教，现为质料科教与工程教院教授，江西理工小大教“浑江”拔尖强人，江西省赣鄱俊才反对于用意-尾要教科教术带头人收军人才哺育工具。经暂处置锂离子电池有机电极质料钻研工做。以第一或者通讯做者身份正在Small, Chemical Engineering Journal, Journal of Power Sources, Science China Materials, ChemSusChem, Journal of Colloid and Interface Science, Nanoscale, Journal of Materials Chemistry C等教术刊物上宣告论文60余篇，被援用1,100 余次，H果子22。

李玉涛钻研员简介：2013年专士结业于浑华小大教质料教院，2013年-2022年，正在好国德克萨斯小大教奥斯汀分校处置专士后战助理钻研员工做，师从”锂电之女“John B. Goodenough教授，2022年尾减进中科院物理所，任特聘钻研员，专士去世导师。主持/减进多项齐固态电池研收名目。尾要钻研内容收罗新型固态电解量质料设念、导机电制阐收、界里劣化战齐固态电池操做。相闭工做以第一战通讯做者正在J. Am. Chem. Soc.、PNAS、Angew. Chem. Int. Ed.、Sci. Adv.等期刊宣告，ESI下被引论文25篇，总援用15200一再，获2021-2022年齐球交织教科下被引科教家。

【第一做者介绍】

赵建军，硕士结业于江西理工小大教，现为北京化工小大教专士钻研去世；

周苗苗，硕士结业于江西理工小大教，现为中国矿业小大教小大教（北京）专士钻研去世。