有機(jī)電極材料是可持續(xù)和大規(guī)模儲(chǔ)能的有希望的候選材料。然而，低氧化還原穩(wěn)定性和在電解液中的高溶解度導(dǎo)致的短壽命嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用。六氮雜萘（HATN）是一種流行的具有高理論容量的有機(jī)正極材料，也面臨著這個(gè)問題。
在此，北京理工大學(xué)王博教授、李鵬飛副研究員及華中科技大學(xué)謝佳教授等人首次將化學(xué)穩(wěn)定的醚鍵與HATN單元結(jié)合，合成了超穩(wěn)定的基于HATN的共價(jià)有機(jī)骨架（COF）HATN-HHTP正極。
與其構(gòu)建單元相比，HATN-HHTP在不同有機(jī)電解液中的溶解度受到明顯抑制，因此電極可以在正常濃度（~1 M）的普通電解液中穩(wěn)定循環(huán)。通過將碳納米管（CNT）與COF結(jié)合所獲得的HATN-HHTP@CNT正極在堿金屬離子電池（LIB、NIB 和KIB）中實(shí)現(xiàn)了接近其理論值的放電容量（231 mAh g-1），這是因?yàn)榛钚晕稽c(diǎn)的充分暴露和增強(qiáng)的電子電導(dǎo)率。基于HATN-HHTP@CNT的高贗電容貢獻(xiàn)和穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，LIB實(shí)現(xiàn)了超長的循環(huán)壽命（4100小時(shí)，100% 容量保持率），優(yōu)于HATN正極。
圖1. HATN-HHTP@CNT在LIB中的電化學(xué)性能
除此之外，利用固有的可接近多孔結(jié)構(gòu)，HATN-HHTP@CNT還展示了其在多價(jià)（Mg和Al）可充電電池中的活性。其中，可充電鎂電池（RMB）在20 mA g-1下的容量為116 mAh g-1，在持續(xù)150次循環(huán)（~1500 h）后容量保持率為83.5%；可充電鋁電池（RAB）可在100 mA g-1下循環(huán)350次（~700 h）后保持80% 的初始容量，進(jìn)一步證明HATN-HHTP@CNT是一種通用正極。
作者通過DFT計(jì)算、FTIR光譜、XPS和EDS探索了幾種電池系統(tǒng)的詳細(xì)機(jī)制，證明了優(yōu)異的性能主要來源于以下因素的貢獻(xiàn)：（1）吡嗪位點(diǎn)對(duì)COF的電化學(xué)活性和（2）醚鍵對(duì)COF的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，超穩(wěn)定且通用的HATN-HHTP@CNT正極為實(shí)現(xiàn)可靠和大規(guī)模的能量存儲(chǔ)打開了新的大門。
圖2. HATN-HHTP@CNT在RMB、RAB中的性能
A Stable Covalent Organic Framework Cathode Enables Ultra-Long Cycle Life for Alkali and Multivalent Metal Rechargeable Batteries, Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.03.033
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