Small:基于三联吡啶-钴配合物纳米片的稳定双离子电池阴极材料

二维纳米片具有新颖独特的电子结构和物理特性,可在诸多领域表现出优异的应用性能,从而在近年来受到广泛关注。目前,大多数二维纳米片是通过“自上而下”地从块体材料剥离所得,制备出的材料尺寸较小,且后处理成本较高,限制了二维纳米片在有不同应用需求的多领域的发展。另一方面,层状结构有利于离子或电子在层内或层间传递,所以二维纳米片在双离子电池电极材料领域有较大应用前景,但相关研究还处于非常初步的阶段。目前报道的双离子阴极材料中,被广泛研究的多为无机材料,例如MXene和层状石墨基电极。但其最高理论容量有限。而具有结构多样性的有机材料面临合成条件苛刻,或因为离子的插入造成体积膨胀从而引发材料降解或结构崩坏,导致材料循环稳定性差的问题。基于上述科学问题,香港理工大学黄维扬教授团队通过简单而温和的方式制备出一种基于三联吡啶配体和钴离子的配合物纳米片Co-sheet,且其作为双离子电池的阴极材料表现出可观的电化学稳定性。这项研究工作提供了一种简单的,低成本获得大面积、功能化二维纳米片的制备方法,拓展了纳米片的应用领域,同时,为高性能双离子电池电极材料的发展提供新视角。相关成果已在Small发表。

金属配合物兼具无机材料和有机材料的特点,而且可以通过有机配体和金属离子自发的配位作用,采用“自下而上”的策略制备出二维金属配合物纳米片。三联吡啶具有平面结构,能与多种金属离子自发而有序地配位,适合作为二维纳米片框架的构建元素。而界面辅助合成法,反应条件温和,操作简单,后处理方便,结合该方法制备出的层状纳米片Co-sheet还具有较好的机械强度和热稳定性,从而使该材料具有后续工业加工的潜能。值得注意的是,这种方法制备的二维金属配合物纳米片具有横向面积和纵向厚度简便易调控的特点。此外,三联吡啶-钴配合物具有电活性,将该片段引入二维纳米片结构骨架,一方面使其作为结点,可构建二维网格;另一方面,电活性可传递到纳米片材料中,赋予纳米片功能性,而纳米片的层状结构又可容纳离子的插层/脱嵌行为。相比于传统单相反应法合成的粉末状样品,界面辅助制备的Co-sheet纳米片作为双离子电池电极,不仅呈现出高活性位点利用率,还表现出更稳定的电化学性能和更优的倍率性能,从而凸显出界面辅助制备法的优势。

二维金属配合物纳米片用于双离子电池电极的工作鲜有报道,该研究作为初步探索,展现出这类结构可调,性能可优化的金属配合物纳米材料在能源存储领域可观的应用前景。

相关研究工作得到了深圳市科技创新委员会, 国家自然科学基金,香港研究资助局,香港特别行政区卓越学科领域计划,香港理工大学及欧雪明能源冠名教授计划的资助。