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目前商用的无机正极材料已接近其理论容量，且存在提取成本高，资源回收困难以及过渡金属资源危机等诸多问题。近年来，有机正极材料因其结构设计性多样性，理论比容量高，来源广泛，成本低廉，环境友好等优点备受关注，被广泛应用于电池领域研究。然而，目前有机电极材料存在循环稳定性差，电子导电性较低，放电平台不高和活性官能团利用率低等问题。因此，开发具有高比容量、高放电平台位和高倍率性能有机电极材料具有挑战。 近日，北京理工大学大学姚长江教授、梅仕林研究员团队制备了一种新型供-受体双极型有机框架材料（BTT-PTO-COF），该材料具有双极型氧化还原中心，2.97 nm的介孔通道，π电子共轭，和理想的电子迁移（1.8 cm2 V-1·s-1），可实现快速且稳定的离子和电子传输过程。双极型氧化还原活性位点，使得BTT-PTO-COF材料在0.2 A g-1电流条件下的比容量高达275 mA h g-1，此外，BTT-PTO-COF具有优异的倍率性能（50 A g-1醚类电解液条件下，比容量容量为79 mA h g-1），较高的放电平台，和出色的长循环稳定性（10 A g-1条件下循环5000次容量保持71%）。
图上1展示了BTT-PTO-COF的合成过程和表征结果：包括相应的傅里叶变换红外光谱(FT-IR)谱图，13C固体核磁共振(NMR)谱图，X射线光电子能谱(XPS)图谱，粉末X射线衍射(PXRD)图谱, 氮气吸附等温线，扫描电子显微镜(SEM)图像，透射电子显微镜(TEM)，以及能量色散光谱(EDS)元素分布。 图2呈现了BTT-PTO-COF在醚类电解液中的电化学性能：(a)扫速率为0.2 mV s-1时的CV曲线；(b)阻抗图谱；(c) 0.2 A g-1电流密度下放电/充电曲线；(d)在不同电流密度下的倍率性能；(e) 0.2 A g-1电流密度下200次长循环图；(g)在10 A g-1下5000次循环的长周期稳定性；(f)在0.2-1.2 mV S-1不同扫速下赝电容控制占比。 图3呈现了BTT-PTO-COF在碳酸酯类电解质中的电化学性能：(a) 扫速率为0.2 mV s-1时的CV曲线；(b) 不同电压状态下阻抗图谱；(c-d) 0.2 A g-1电流密度下放电/充电曲线和200圈循环图；(e) 在电流密度下的倍率性能；(f) 在0.2 ~ 1.2 mV S-1范围内不同扫速下赝电容控制占比；(g) 在10 A g-1下8000次长循环图谱；(h) BTT-PTO-COF材料与文献中具有代表性的COFs正极材料的电池性能比较；(i) 软包电池在0.2 A g-1下循环100次的性能。 图4 为BTT-PTO-COF电极材料相应的DFT计算：(a-b) LUMO，HOMO和静电势；(b) LOL-π电子离域结构；(d)单层和(e)多层BTT-PTO-COF的能带结构和分波态密度；(f) 储能机理示意图和相应的结合能；(g) 锂化/脱锂过程中结构演变过程。 最终，双极型氧化还原活性中心BTT-PTO-COF电极材料，通过引入π共轭策略调节COFs 的电极的组成，具有良好的共轭结构和阴离子/阳离子存储能力，为设计和合成下一代 LIBs 的高性能有机电极材料提供了新的策略。 论文信息 Extending the π-Conjugation of a Donor-Acceptor Covalent Organic Framework for High-Rate and High-Capacity Lithium-Ion Batteries Chengqiu Li, Ao Yu, WenKai Zhao, Prof. Guankui Long, Prof. Qichun Zhang, Prof. Dr. Shilin Mei, Prof. Dr. Chang-Jiang Yao 文章的第一作者是北京理工大学的博士研究生李成球。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202409421
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