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[转载]NCM综述丨国家纳米科学中心智林杰研究员: 用于可充电金属离子电池的共价有机框架电极材料

已有 2427 次阅读 2021-3-16 17:03 |个人分类:期刊|系统分类:科普集锦|文章来源:转载

    随着化石能源消耗的加剧以及不断增长的能源需求,有效利用可再生能源,并将其转化为可利用的能源(化学能、电能等)受到人们广泛的关注。电化学储能是实现能源有效利用和转换的重要途径。作为应用最为广泛的电化学储能装置,可充电金属离子电池已难以满足各种电器和电子设备日益增长的需求。因此,开发高能量密度、高功率密度、长循环寿命和高安全性的可充电金属离子电池已成为当今储能领域的研究热点和焦点。实现这一目标的重要途径之一是发展高能量密度、高倍率性能和高循环寿命的电池电极材料。共价有机框架(COFs)因具有强健的骨架、丰富的电化学活性位点、便于金属离子传输的可控孔道以及利于优化电化学性能的可调控分子结构等优势受到广泛关注,是极具潜力的可充电金属离子电池电极材料。

国家纳米科学中心智林杰研究员团队长期致力于通过“自下而上”的材料设计策略,采用可控的化学方法,构筑各种具有精确结构与功能的纳米复合材料,用作电极活性材料,以开发高性能储能装置。近年来,智林杰研究员团队针对此领域中关键科学与技术问题,开展了系统深入的研究,并取得了系列成果,相继开发出多种高性能储能器件电极材料,例如:具有高氮含量的同轴电缆网络作为Li-S电池正极材料(Nano Energy 2018, 46, 365-371)、直径可调的一维多孔碳纳米胶囊作为Li-S电池正极材料(PCNC)(Journal of Materials Chemistry A 2019, 7 (5), 2009-2014)、高结晶度、高比表面积PI-COFs作为有机超级电容器的电极材料(Chinese Journal of Polymer Science 2020, 38 (5), 558-564)以及植皮式二维共价封装策略制备的硅氧碳键基绣球状共价双烯作为锂离子电池阳极材料(Nature communications 2020, 11 (1), 1-9)等。

由于在高性能储能器件电极材料领域的长期积累,近期智林杰研究员团队受邀为《新型炭材料》(New Carbon Materials)撰写相关综述:“A review of covalent organic framework electrode materials for rechargeable metal-ion batteries(doi: 10.1016/S1872-5805(21)60001-X)。该文章总结了用于可充电金属离子电池的共价有机框架电极材料的电化学活性位点,进一步探讨了通过调节共价有机框架的骨架结构、孔道、活性位点和电子结构提高其电化学性能(包括:能量密度、倍率性能和循环寿命)的策略(图1),并对此领域中存在的问题及相应的解决方法进行了论述。此综述为设计高性能的共价有机框架电极材料提供了新视角,将有助于开发用于下一代金属离子电池的高性能共价有机框架电极材料。

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    图1 COFs材料在可充电金属离子电池中的优势。

国家纳米科学中心硕士研究生曾术茂博士研究生黄小雄为该文章的共同第一作者,助理研究员马英杰智林杰研究员为通讯作者。上述研究得到了国家自然科学基金和北京市自然科学基金项目的支持。

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187258052160001X

期刊网站:http://xxtcl.sxicc.ac.cn    

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通讯作者简介

智林杰,国家杰出青年基金获得者,2015–2020 年入选科睿唯安材料领域全球高被引科学家。2000年在中国科学院煤炭化学研究所获博士学位。2003-2005年在德国马克斯·普朗克学会高分子研究所Klaus Müllen教授课题组进行博士后研究。2005-2007年任马普高分子研究所课题组长。2007年底,被聘为国家纳米科学中心研究员,博士生导师。主要研究领域为富碳纳米材料的构建与结构控制及其在能源与环境领域的应用。

马英杰2013年在浙江大学获得化学博士学位。2013-2016年在德国马克斯·普朗克学会高分子研究所Klaus Müllen教授课题组进行博士后研究。2016年底至今任国家纳米科学中心助理研究员。主要从事有机功能分子的合成及其在催化和能源存储与转化领域的应用。

 




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