Advanced Energy Materials:共价有机框架作为有机电极材料在可充电电池中的应用

随着消费类电子产品﹑电动汽车和储能电源等领域的迅猛发展,锂离子电池的发展正面临着巨大的机遇与挑战。有机电极材料以其分子水平上的可设计性,结构多样性,资源可再生性和独特的储能机制等特点,受到了越来越多的关注,被认为是新型绿色电池电极材料的有力竞争者之一。

作为近年来材料科学研究领域里一颗冉冉升起的新星,共价有机框架(Covalent Organic Frameworks,COFs)是由C, H, O, N, B等轻质元素组成,基于共价键构筑而成的一类晶态有机多孔材料。具有低密度、高比表面积、孔道结构易于调控和功能化修饰等优点,在催化、气体储存/分离、传感,储能以及光电材料等领域得到了广泛的研究并展现出潜在的应用前景。COFs材料的组成和结构具备可调控性、精准性、均匀规则性,这就为分析电极材料的结构与性能之间的关系搭建了一个很好的平台。在电化学能量存储与转换领域,COFs被视为能够体现有机电极材料设计性的绝佳选择,并在众多电池体系的研究中得到了广泛关注。

新加坡南洋理工大学张其春教授,从有机电极材料的角度,首先介绍了COFs电极材料的储能机制,然后概述了COFs材料在锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、锌离子电池等二次电池领域中的应用,重点总结了改善COFs电极材料电化学性能的方法,并对这一研究领域存在的挑战和发展前景进行了展望。

总的来说,COFs作为电极材料的优势主要体现以下几个方面:内部规则的框架结构、可调谐的孔道、易于修饰的骨架以及多变的化学组成适用于构筑多样化的活性位点和离子迁移通道。COFs稳固的框架结构能够有效的规避在电解液中的溶解,提高了电极材料的稳定性。剥离后得到的少层二维结构的COFs,有助于改善离子/电子动力学,开放的孔道和大的比表面积,便于液态电解质更好的渗透,能够让更多的活性位点参与反应从而提升电池容量。虽然基于COFs的电极材料具有众多的优点,并被寄予厚望,但是该领域的研究仍处于初级阶段,还存在许多挑战。未来,相信解决这些问题将进一步推动COFs基电极材料的发展。

相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.201904199)上。