近日，化材院賓德善/李丹團隊在面向低成本高溫鉀離子電池體系應用的導電金屬有機框架（cMOF）負極材料研究方面取得重要進展，相關結果以“Conductive Metal-Organic Framework with Superior Redox Activity as Stable High-Capacity Anode for High-Temperature K-Ion Battery”為題發表在學術期刊《JACS》（美國化學會志，IF=15.0）上。
高溫可充電電池對于高溫環境下的能源儲存是必不可少的。由于鉀離子電池具備資源豐富、輸出電壓高等優勢，高溫鉀離子電池的研究日益受到重視。然而，提高工作溫度會加劇鉀離子電池負極的化學和機械不穩定性。此外，高溫還可能在電極和電解液界面引發嚴重的副反應，導緻固體電解質界面結構惡化，容易引發電極結構衰退，進而造成電池容量和倍率性能快速衰減。因此，追求穩定的高容量高溫KIBs負極成為一個更加艱巨的挑戰。導電金屬有機框架材料具有資源豐富、結構設計性強、導電性好，框架結構穩定等優勢，有望成為設計高溫KIBs負極的新材料。然而，導電MOF作為高溫儲鉀負極的應用必須兼顧具備豐富的氧化還原活性位點、堅固的穩定性和高的導電性。目前開發這樣的塊體（Bulk）MOF材料仍面臨巨大挑戰。團隊報道了一種具有優越的氧化還原活性導電金屬-有機框架（HAN-Cu-MOF）作為高容量長循環高溫鉀離子電池負極材料。
作者采用XRD、TEM和BET等表征手段先對導電MOF進行了表征，一系列表征驗證其成功的合成了HAN-Cu-MOF。其中該MOF中豐富的C=N和CuO4結構單元為K+的儲存提供了豐富的氧化還原活性位點，并且MOF大的比表面積可以緩沖鉀化後的電極的體積形變。
通過将具有氧化還原活性的HAN(六氮雜萘)和CuO4結構單元固定到MOF結構中，合成了HAN-Cu-MOF。該MOF具有優異的導電性，并且含有豐富的C=N活性基團和CuO4結構單元，展現出優異的儲鉀容量和快速的反應動力學。實驗結果表明，該MOF在60 ℃電解液中的難溶解性和鉀化後的低體積形變率可以使電極材料在60 ℃高溫條件下反複充放電過程中具有優異的循環穩定性。電化學測試結果表明，作為高溫儲鉀負極，該MOF可在50 mA g-1的電流密度下獲得455 mAh g-1的高可逆比容量，優異的倍率性能和良好的循環穩定性，即使在1000 mA g-1的電流密度下循環1600次，其容量保持率高達96.7%，優于目前報道的所有高溫鉀離子電池負極性能。
多種表征手段結合理論計算均表明了C=N基團和CuO4結構單元可以為K+的存儲提供有效的氧化還原活性位點。本研究為基于配位化學策略設計高性能高溫電池電極材料提供了新的視角。博士生楊夢華為本文第一作者。
該成果得到了國家自然科學基金、國家自然科學基金重點項目、廣東省重大基礎與應用基礎計劃、廣東省自然科學傑出青年基金、廣州市科技計劃項目和太阳集团app首页等項目的資助。
原文鍊接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c13113
文圖：楊夢華
校對：劉 雪
責編：程 瑤
初審：王啟偉
終審：陳填烽
