粘结剂协同的9电子转移π-d共轭金属有机配位聚合物高容量储锂材料
日期：
2022-12-07
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醌基有机储能材料的潜在价值，一直被众多研究者所重视，同时针对其高溶解性，低导电性和充放电平台这三个致命缺点，做了大量研究改性工作。如通过小分子聚合或形成醌盐去降低其溶解性，通过引入不同的性质的官能团去调节充放电电位，而至于提高导电性大部分研究普遍采用了复合导电碳的材料。这些改性策略虽然应对其特定的劣势起到了一定的改性作用，但是作用效果单一且片面。同时，这些方法也不可避免地降低材料的比容量。近期，π-d共轭金属有机配位聚合物，由于其拥有良好的可设计性以及较好的导电性，在储能领域受到了广泛的研究。正是因为π-d共轭金属有机配位聚合物既可以对有机材料的溶解性起到关键的抑制作用，同时其独特的π-d共轭结构展现了良好的导电性，以及多氧化还原中心还可以提供更多的容量；所以，相较于目前有机材料研究中的单一和片面的改性方法，使用π-d共轭金属有机配位聚合物策略对有机电极材料进行改性是进步的和统筹的。近日，华南理工大学刘军教授课题组等人构建具有多氧化还原活性中心的π-d共轭配位聚合物Ni-DHBQ作为储锂材料。其展现九电子转移的超高容量，同时π-d共轭以及其晶体内部的层状结构，保证了快速的电子传输和锂离子扩散，从而展现优秀的倍率性能，以及粘结剂CMC与Ni-DHBQ的相互作用协同抑制其溶解，锚定Ni原子，从而展现优异循环稳定性。这项工作对π-d共轭配位聚合物储锂机制和CMC协同作用有深刻理解，将有助于有机材料的分子设计和商业应用。该文章以“Nine-Electron Transfer of Binder Synergistic π-d Conjugated Coordination Polymers as High-Performance Lithium Storage Materials”为题发表在国际顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.上，巫艺文博士为本文第一作者。为解决有机小分子电极材料的溶解性和导电性等问题，本文选取了高理论比容量高和氧化还原可逆性良好的2，5-二羟基-1，4-苯醌（DHBQ）作为配体，与Ni2+合成了一种π-d共轭金属有机配位聚合物Ni-DHBQ，并将其应用于储锂材料的研究。同时通过多种原位和非原位的手段结合理论计算，对材料九电子转移的充电机理，以及与粘结剂CMC的作用机理做出了详细的阐释。本文通过计算Ni-DHBQ所贡献的容量对应的转移电子数约为9电子每单元，其CV显示该容量来源于材料的多氧化还原中心。通过对不同放电区的容量和充放电平台的归属，以及IR，EPR和XPS，确认了Ｒ1对应了羰基的双电子还原，R2对应了镍离子的双电子还原，R3’及R3对应了碳六元环的锂化；O1和O2对应了碳六元环脱锂，而O3包括了Ni的氧化和烯醇锂脱出的四电子反应。同时，差分电荷密度的计算也印证了该机理。值得注意的是，使用不同组分的粘结剂，在Ni-DHBQ的储锂性能上存在巨大的差异。Ni-DHBQ-15% CMC在0.1A g-1电流密度下的充放电曲线，其首圈可逆容量和首次库伦效率均优于Ni-DHBQ-10% CMC，Ni-DHBQ-20% CMC以及Ni-DHBQ-10% PVDF。注意，所有的使用CMC作为粘结剂的电极充放电平台与CV的氧化还原峰保持一致，且在前十五次循环相较于Ni-DHBQ-10% PVDF均保持了良好的循环稳定性。值得注意的是，CMC的添加量并不是越多越好。在Ni-DHBQ-20% CMC于0.1 A g-1的充放电曲线中，其第二次充放容量明显小于其他圈数，展现出一种活化的现象。而这种现象在1 A g-1的循环容量图中显得尤为明显，而由于这种不同寻常的活化，使得其在大电流下的循环稳定性也较差。此外，经活化的Ni-DHBQ-15% CMC匹配商用LNMO时，Ni-DHBQ-15%CMC和LNMO在前5个循环中容量分别保持在950 mAh g-1和112 mAh g-1以上，LNMO在50个循环后容量保持在92.6 mAh g-1以上，容量保持率为81.4%, 且全电池主要容量都在2.0V以上。由此可见，使用15%的CMC确实可以显著提升Ni-DHBQ循环稳定性和倍率性能。为了探究CMC提升Ni-DHBQ性能的机理。首先，通过DFT计算发现CMC可以与DHBQ及Ni-DHBQ形成O---H和O---Na键从而降低其溶解。而通过IR我们也可以发现Ni-DHBQ在与CMC结合后，其位于1521cm-1的C=O的特征峰发生了红移，这暗示了CMC与Ni-DHBQ有O---H键生成。同时，通过计算CMC与Ni-DHBQ的结合能约为PVDF的3倍，因此Ni-DHBQ-10% CMC在电解液中静置五天仍没有发现明显的溶解。其次通过DFT计算CMC与Ni原子的结合能是PVDF的6倍；并且将Ni-DHBQ-10% CMC和Ni-DHBQ-10% PVDF的半电池循环后的锂片进行ICP测试，结果表明在Ni-DHBQ-10% PVDF组的锂片发现了镍元素的存在，而Ni-DHBQ-10% CMC组没有。这两者都证实了，在Ni2+被还原后， CMC对Ni原子起到了的锚定作用。最后，向DHBQ和CMC质量比1/1的溶液中加入与DHBQ一当量的Ni2+溶液，最后所得产物经XRD测试为纯的Ni-DHBQ，这说明了当Ni氧化成Ni2+的时候会优先与DHBQ结合而不是CMC，从而使得Ni-DHBQ氧化还原反应可逆的进行。综上所述，由于CMC可以在放电前协同抑制Ni-DHBQ的溶解，放电时锚定Ni原子稳定了Ni-DHBQ的结构，而充电时不抢夺Ni2+，才使得了Ni-DHBQ的循环稳定性和倍率性能得到了显著地提升。综上所述，本文将π-d共轭的金属有机配位聚合物 Ni-DHBQ应用于储锂研究中，在CMC的协同作用下，Ni-DHBQ-15% CMC，在0.1A g-1/1A g-1 的电流分别循环100/300圈后，分别展现650.7 mAh g-1/505.6 mAh g-1的容量，展现超高的容量和优异的循环稳定性和倍率性能。这优异的性能得益于Ni-DHBQ提供了多氧化还原活性中心贡献了更多的容量；π-d共轭以及其晶体内部的层状结构，保证了较为快速的电子传输和锂离子扩散，为其优秀的倍率性能奠定了基础；以及CMC与Ni-DHBQ的相互作用抑制其溶解，锚定了Ni原子，在充放电过程中提升了Ni-DHBQ结构稳定性和反应的可逆性。同时在与商业材料的匹配中，Ni-DHBQ-15% CMC展现出了较强的实用性。这项工说明了构建π-d共轭的多氧化还原活性中心的有机电极材料拥有巨大的潜力，同时进一步促进有机电极材料的商业化。
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