近日，我校吳興隆教授課題組在鉀離子電池負(fù)極材料方向上取得重要研究進(jìn)展。該研究進(jìn)行合理的材料組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)了一種容量高、循環(huán)穩(wěn)定性好的共價(jià)有機(jī)骨架負(fù)極材料（P-COF@SWCNT），在0.05 A/g電流密度下儲(chǔ)鉀容量可達(dá)438 mAh/g，并且充放電循環(huán)1400圈后仍未有儲(chǔ)鉀性能的明顯衰減。該成果以“Covalent Organic Framework with Highly Accessible Carbonyls and π-Cation Effect for Advanced Potassium-Ion Batteries”為題，發(fā)表于國際著名期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)上。吳興隆教授為論文的唯一通訊作者，化學(xué)學(xué)院2019級(jí)碩士研究生羅曉曦為論文第一作者。近三年來，課題組培養(yǎng)的碩士生連續(xù)地在先進(jìn)電池材料方面取得系列重要研究進(jìn)展，2016~2019級(jí)研究生碩士階段的代表性成果分別地發(fā)表在學(xué)科頂級(jí)期刊《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)、《能源環(huán)境科學(xué)》(Energy & Environmental Science)、《能源環(huán)境材料》(Energy & Environmental Materials)和《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)上，在碩士研究生培養(yǎng)上取得突出成績(jī)。

作為下一代的可充電電池，鉀離子電池具有資源豐富、與鋰離子電池工作原理相似等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多的關(guān)注和研究。然而，鉀離子的離子半徑較大，鮮有合適的無機(jī)材料能夠穩(wěn)定可逆地存儲(chǔ)鉀離子而不受破壞，限制了鉀離子電池的發(fā)展。與常見的無機(jī)電極材料相比，共價(jià)有機(jī)骨架一般由輕質(zhì)元素（包括C、N、O和S等）組成，具有容量高、環(huán)境友好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。而且，有機(jī)化合物具有的獨(dú)特柔性結(jié)構(gòu)、豐富活性基團(tuán)等特性，可以穩(wěn)定地存儲(chǔ)大量的鉀離子電池。該研究工作通過合理的分子和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將共價(jià)有機(jī)骨架與碳納米管復(fù)合（如圖1所示），合成了P-COF@SWCNT復(fù)合負(fù)極材料。在保留了原有有機(jī)電極材料儲(chǔ)鉀優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建規(guī)避了有機(jī)材料本身電子電導(dǎo)性低等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了載流子的高效傳輸和優(yōu)異的儲(chǔ)鉀性能。通過FTIR、Raman、XPS等表征手段（如圖2所示）與理論計(jì)算相結(jié)合，確定了儲(chǔ)鉀的活性位點(diǎn)為共價(jià)有機(jī)骨架的C=O與萘環(huán)，在充放電過程中通過烯醇化反應(yīng)和π-K⁺相互作用實(shí)現(xiàn)K⁺在材料中的可逆存儲(chǔ)。

圖1 P-COF@SWCNT復(fù)合材料的示意圖和部分表征結(jié)果

圖2 P-COF@SWCNT復(fù)合負(fù)極儲(chǔ)鉀機(jī)理的譜學(xué)研究結(jié)果

該工作得到國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃（91963118）和面上項(xiàng)目（52173246）的資助。

附：相關(guān)研究文章

信息來源：東北師范大學(xué)官網(wǎng)