Small:精准调控介观孔隙结构的Zr-四硫富瓦烯MOFs用于高性能锂离子电容器

随着便携电子设备和电动汽车的快速发展,人们对储能器件的能量密度、功率密度、循环寿命都提出了更高的要求。锂离子电容器(HLICs)是一种介于超级电容器和锂离子电池之间的新型储能器件,其正极通常采用双电层电容型多孔碳材料,负极采用电池型离子嵌入脱出材料。作为锂离子电池和超级电容器的结合,锂离子电容器结合了二者的特点,有望同时兼顾高能量密度和高功率密度。然而,由于锂离子电容器负极材料的电荷存储机理与正极不同,两侧的电极反应速率往往相差较大,这限制了其实际的性能表现。因此,探索与正极材料相匹配、拥有优异倍率性能和循环稳定性的负极材料,是锂离子电容器实用化的关键问题。金属有机框架材料(MOFs)拥有可调控的有机-无机混合网络、高晶化程度、大比表面积、有序孔结构等特点,作为高容量、高倍率储锂材料应用于锂离子电容器具有很大的潜力。

南京大学化学化工学院左景林、金钟等人报道了Zr6团簇金属节点和四硫富瓦烯配体组成的高稳定性Zr-MOFs应用于锂离子电容器负极材料,并探究了孔结构、晶化程度对Zr-MOFs储锂性能的影响。相关结果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.202005209)上。

通过系统的电化学表征方法,该研究揭示了高晶化程度和介孔-微孔分级纳米孔结构有利于充放电过程中的锂离子扩散,从而保证了快速的电化学反应动力学。借助非原位红外光谱、XPS、XRD等技术证实了充放电过程中锂离子的可逆嵌入/脱出。Zr-MOFs中丰富的储锂位点(苯环、羧基、Zr6无机团簇的O/OH端)确保了电极材料较大的比容量(561 mAh g-1)。另一方面,Zr-MOFs中三维多孔网络结构和稳定的Zr-O键有利于缓解材料锂化时的体积膨胀,维持电极的循环稳定性。采用Zr-MOF-1作为负极材料、活性炭(AC)作为正极材料的Zr-MOF-1||AC锂离子电容器展现出较高能量密度(122.5 Wh kg-1),高功率密度(12.5 kW kg-1)和长循环寿命(在2000 mA g-1电流密度下1000次充放电循环后容量保持86%)。此项研究为金属有机框架材料在储能应用中的分子结构设计和性能优化提供了新的思路。