暨南大学李丹/宾德善JACS：导电MOF用于高温K+电池

研究内容

高温可充电电池对于高温情况下的能量存储至关重要。由于钾的资源丰富，高温钾离子(K+)电池越来越引起人们的研究兴趣。然而，提高工作温度会加剧KIB负极的化学和机械不稳定性，导致容量衰减非常快，尤其是在追求高容量时。

暨南大学李丹和宾德善证明了由富N芳香分子和CuO4单元，通过π-d共轭构建的多孔导电金属有机骨架(MOF)可以提供多个可接近的氧化还原活性位点，保证在高温下高效储钾的强大结构稳定性。即使在60°C下工作，这种MOF负极也可以提供高的初始容量(455 mAh g-1)、优异的倍率和可循环性(1600次循环的容量保持率为96.7%)，比报道的高温KIB负极要好得多。相关工作以“Conductive Metal-Organic Framework with Superior Redox Activity as a Stable High-Capacity Anode for High-Temperature K‑Ion Batteries”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1. 作者展示了一种多孔导电MOF，由富N芳香分子和CuO4金属通过π-d共轭构建，可以在高温下作为稳定的高容量KIB负极。

要点2. 当在60°C下工作时，MOF可以提供优异的可逆容量(50 mA g-1下为455 mAh g-1)、超稳定的可循环性，在1000 mA g-1下1600次循环后，容量保持率约为96.7%(每次循环容量衰减约0.0021%)，以及优异的倍率能力(2000 mA g-1下为161 mAh g-1)。可逆容量、可循环性和倍率容量是先前报道的高温KIB负极中的最佳值。

要点3. 基于综合实验表征和理论模拟的机理研究表明，多个C=N基团和CuO4单元为高可逆容量贡献了丰富的氧化还原活性位点；包括π-d共轭特性、多孔结构和网状结构在内的结构优点促进了电荷(K+/e-)的高速传输，确保具有小应变的不溶性电极具有优异的循环耐久性。

这一贡献为设计具有优异综合性能的导电氧化还原MOFs作为高温KIB的先进负极材料提供了新的视角。

研究图文

图1. HAN-Cu-MOF合成和表征。

图2. HAN-Cu-MOF和HAN分子样品作为KIB负极在60°C下的电化学性能。

图3. HAN-Cu-MOF和HAN的对照样品在45°C下作为KIB负极测试的电化学性能。

图4. HAN-Cu-MOF的动力学行为及稳定性表征。

图5. 60°C下钾化/脱钾过程中电极的结构演变。

文献详情

Conductive Metal-Organic Framework with Superior Redox Activity as a Stable High-Capacity Anode for High-Temperature K‑Ion Batteries

Menghua Yang, Xian Zeng, Mo Xie, Ying Wang, Ji-Miao Xiao, Run-Hang Chen, Zi-Jian Yi, Yan-Fang Huang, De-Shan Bin,* Dan Li*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.3c13113