近日，云南大學材料科學與工程學院（云南省微納材料與技術(shù)重點實驗室）郭洪教授團隊與加拿大兩院院士Western Univ. 孫學良教授團隊聯(lián)合攻關(guān)，以云南大學為第一通訊單位，在國際著名期刊ACS Energy Lett. (即時IF=19.78)發(fā)表新能源材料最新突破性進展“ Dual-Active-Site of Azo and Carbonyl Modified Covalent Organic Framework for High-Performance Li Storage ”（ACS Energy Lett. 2020, https://dx.doi.org/10.1021/acsenergylett.0c00069）。博士研究生趙根福和碩士研究生張羽豪為論文共同第一作者，該論文成果得到973計劃、國家自然科學基金面上項目、云南省科技廳-云南大學聯(lián)合重點基金、省先進能源材料國際聯(lián)合研究中心、省高校全固態(tài)離子電池重點實驗室項目及云南大學杰出青年計劃的支持。
作為一種高性能的能量存儲裝置，鋰離子電池已廣泛應用于各類移動電源和其他可再生清潔能源載體上。開發(fā)高性能、可持續(xù)的綠色電極材料對鋰離子電池的發(fā)展至關(guān)重要。與傳統(tǒng)的無機化合物相比，共價有機框架（COF）是一類組分、結(jié)構(gòu)可設計，強穩(wěn)定性的多孔晶態(tài)框架材料，因其功能性有機單元的框架結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出開放的離子和電子傳輸通道，從而在近年來出現(xiàn)在電化學儲存的舞臺上。作為一種理想的鋰儲存電極材料，COF仍存在許多亟待解決的問題，如結(jié)構(gòu)強的π-π相互作用導致了低的氧化還原位點利用率，直接影響了其可逆儲能容量。因此，如何精確設計COF分子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對材料結(jié)構(gòu)層間或內(nèi)部活性儲鋰位點的充分激發(fā)與利用,將對COF類材料在儲能領域的應用開辟新的思路。
基于以上研究現(xiàn)狀和面臨的問題，郭洪教授課題組首次提出了C=O和N=N雙重有效氧化還原位點修飾的共價有機框架（Tp-Azo-COF），并成功應用于鋰離子電池負極材料中。課題組在前期研究基礎上（Hong Guo*, et. al, Appl. Catal. B:Environ., 2019, 243; Hong Guo*, et. al, Adv. Funct. Mater. 2018, 1707480; Hong Guo*, et. al, Nano Energy 2018, 51；Hong Guo*, et. al, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10）,通過分子層面的設計構(gòu)建了獨特的類花狀二維共軛共價有機框架，具有較高的電化學動力學和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明，C=O和N=N雙活性位的引入，顯著增強了COF用作鋰離子電池負極的電化學活性和容量。
Tp-Azo-COF材料作為鋰離子電池負極時，在1000 mA g-1的電流密度下，3000次循環(huán)后保持305.97 mAh g-1的高容量，庫侖效率接近100%，這表明Tp-Azo-COF負極材料顯示出顯著的超穩(wěn)定性和足夠的反應位點。就容量輸出、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能而言，Tp-Azo-COF材料的電化學性能優(yōu)于LIB中其他最新報道的有機化合物。
該工作通過簡單的合成方法，首次構(gòu)筑了具有C=O和N=N雙重有效活性位點的Tp-Azo-COF鋰離子電池負極材料。Tp-Azo-COF豐富的C=O和N=N氧化還原位點、大的共軛結(jié)構(gòu)、高的比表面積和多孔結(jié)構(gòu)，有利于高容量的保持和快速的Li儲存。同時，偶氮和羰基單元在增強Tp-Azo-COF結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面也起著重要作用，從而使其成為用于鋰存儲的可靠且可生產(chǎn)的負極材料。這項工作為開發(fā)低成本，持久循環(huán)穩(wěn)定性和可逆性的可充電電池的先進有機電極材料提供了一種新思路。
