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武大邓鹤翔&柯福生Angew.Chem.Int.Ed.:MOFs用于高充放电倍率锂硫电池

时间:2021-07-23 01:02作者:亚娱体育

本文摘要:【章节】作为新型多孔材料,金属有机框架材料(MOFs)具备超高的孔隙率及比表面积,在气体分子的存储、分离出来和获释方面的应用于潜力已被普遍研究。理论上,MOF的多孔性能可以用作电化学储能,然而MOFs一般来说导电性很差,因此其在电子器件及储能期间方面的应用于潜力仍然没获得充份发展。锂硫电池作为新型绿色储能技术,在超级微电池等领域具有光明的应用于前景。 MOFs导电性的提升与高性能锂硫电池对于低充放电倍率的市场需求融合,为新能源储存技术的发展获取了新的方法和思路。

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【章节】作为新型多孔材料,金属有机框架材料(MOFs)具备超高的孔隙率及比表面积,在气体分子的存储、分离出来和获释方面的应用于潜力已被普遍研究。理论上,MOF的多孔性能可以用作电化学储能,然而MOFs一般来说导电性很差,因此其在电子器件及储能期间方面的应用于潜力仍然没获得充份发展。锂硫电池作为新型绿色储能技术,在超级微电池等领域具有光明的应用于前景。

MOFs导电性的提升与高性能锂硫电池对于低充放电倍率的市场需求融合,为新能源储存技术的发展获取了新的方法和思路。【成果概述】近日,武汉大学邓鹤翔教授、柯福生副教授(联合通讯作者)率领科研团队,经过四年多的重复尝试和大大思索,研发了一种MOFs与导电聚合物(凝吡咯ppy)的复合材料——ppy-MOF,使得MOFs电导率提高5-7个数量级,且制取成本便宜,合适大规模生产。将ppy-MOFs复合物用作锂硫电池硫负极载体材料,极致地融合了MOFs的极性和多孔优势以及导电聚合物的导电特性,并通过辩论MOFs有所不同的孔道结构对电池性能的影响。首次阐述了孔道几何结构与高倍率性能的关系。

其中,具备交联通透孔隙和地下通道的PCN-224脱颖而出,在超过16.8Ag-1的充放电电流密度下,ppy-PCN-224/S电极在200次和1000次循环后容量分别可高约670和440mAh·g-1。该研究成果为下一代新型电池储能的电极材料的设计获取理论指导,并拓展了MOFs在电化学方面的应用于前景。该成果以“Metal-OrganicFrameworksforHighCharge-DischargeRatesinLithium-SulfurBatteries”为题公开发表在Angew.Chem.Int.Ed.上,并评为VIP和封面文章。

武汉大学的博士生江浩庆和硕士生刘晓晨为文章的联合第一作者。【图文概述】图1ppy-MOF的优势所在A)高性能Li-S电池不应符合的三项准则:多孔性、极性和导电性,ppy-MOF需要集上述特性于一身。

B)比起其它少见硫载体(完整MOF、多孔碳和ppy),ppy-MOF结构需要较好的存储多硫化物,离子蔓延和电子移往性能优于。图2ppy-S-in-MOF结构的制取、形貌和电导性A)ppy-S-in-MOF结构的制取过程;B-D)PCN-224、S-in-PCN-224和ppy-S-in-PCN-224晶体的SEM图像(标尺500nm);E-G)MIL-101、S-in-MIL-101和ppy-S-in-MIL-101晶体的SEM图像(标尺200nm);H)ppy-S-in-MIL-101的HAADF-TEM图像;I-L)ppy-S-in-MIL-101的元素产于;M)MOF和ppy-S-in-MOF结构的导电性;N)以ppy-MOF、MOF、ppy和多孔碳作为硫载体,0.2C下ppy-MOF结构诱导多硫化物来回的效果最差。图3ppy-S-in-MOF结构的电化学性能A)电池在高倍率和较低倍率下电池的关键影响因素,圆圈的大小意味著因素的重要性高低;B,C)ppy-S-in-MIL-53、S-in-MIL-53和ppy-S电池从0.1C到1.0C的倍率性能及其1.0C下适当的100周期循环性能;D)ppy-S-in-PCN-224和S-in-carbon从0.5C到5.0C的倍率性能;E)5.0C下S-in-carbon电极和5.0、10.0C下ppy-S-in-PCN-224电极400次差使-静电循环后的GDC曲线;F)5.0C下ppy-S-in-PCN-224、ppy-S-in-MIL-53、ppy-S-in-MIL-101和S-in-carbon电极的循环性能;G)10.0C下ppy-S-in-PCN-224电极的长年循环性能,灰色点为库仑效率。图4MOF的结构以及离子蔓延路径PCN-224、MIL-53和MIL-101的晶体结构及其适当的离子蔓延路径。

比起MIL-53不倒数的地下通道以及MIL-101中的3D分级笼状地下通道,PCN-224的交联孔道需要更加有效地的展开离子蔓延。【小结】多孔电极材料的孔道结构对离子蔓延速度具有至关重要的起到,从而影响电池性能。该工作制取获得的ppy-MOF复合物为解决问题MOFs的导电亲率问题获取了一种新的方式,进而可以充分发挥MOFs的极性和多孔性在锂硫电池中的优势。

研究指出具备较短离子迁入途径和较小孔径的MOFs最合适Li-S电池高倍率长周期循环。这项研究还拓展了MOFs在电化学方面的应用于前景。


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