近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院陳維教授聯(lián)合江海龍教授和李震宇教授團(tuán)隊(duì)，在國際期刊Joule發(fā)表了題為“Metal-Organic Frameworks for Nanoconfinement of Chlorine in Rechargeable Lithium-Chlorine Batteries”的研究型論文。論文采用一種功能化的金屬有機(jī)框架(MOF)材料作電極，實(shí)現(xiàn)了鋰-氯氣二次電池的高比容量（2000mAh/g）、長循環(huán)穩(wěn)定性（500圈）和低溫(-40 ℃)工作等性能。
傳統(tǒng)鋰-亞硫酰氯電池因高能量密度等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，但其為一次不可充電池。可充電鋰-氯氣（Li-Cl2）電池是在此基礎(chǔ)上2021年首次實(shí)現(xiàn)的一種新型高能量密度電池，具有1200 mAh/g的高比容量和3.6 V的高輸出電壓。然而，為了實(shí)現(xiàn)Li-Cl2二次電池的實(shí)際應(yīng)用，需要克服以下問題。首先，由于多孔碳對Cl2分子的物理吸附較弱，Cl2反應(yīng)受到限制。其次，過量的LiCl生成到碳孔中往往會阻塞Li+傳輸和Cl2擴(kuò)散的通道，阻礙進(jìn)一步的電化學(xué)反應(yīng)。此外，未結(jié)合的Cl2的穿梭效應(yīng)會導(dǎo)致電池容量衰減，特別是在高輸出容量下。因此，設(shè)計具有合理多孔結(jié)構(gòu)的正極材料對于實(shí)現(xiàn)高性能鋰-氯氣二次電池至關(guān)重要。
本工作提出在Li-Cl2電池中應(yīng)用具有路易斯堿性官能團(tuán)的多孔MOF來改善正極Cl2/LiCl的轉(zhuǎn)化反應(yīng)（圖1）。在理論預(yù)測的指導(dǎo)下，利用第一性原理計算篩選出具有-NH2官能團(tuán)的MOF應(yīng)用在Li-Cl2電池中。冷凍透射電鏡和低劑量高分辨透射電鏡表征表明，UiO-66-NH2在循環(huán)過程中保持非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，XPS驗(yàn)證了-NH2基團(tuán)對Cl2和LiCl的強(qiáng)親和力，從而提高了其氧化還原反應(yīng)動力學(xué)。論文中設(shè)計的Li-Cl2@MOF電池最高放電比容量可達(dá)2000 mAh/g，并在1000 mAh/g的比容量下穩(wěn)定循環(huán)超過500次。同時，該Li-Cl2@MOF二次電池在低溫-40 ℃下依然可以穩(wěn)定工作（圖2）。
圖1.Li-Cl2@MOF(UiO-66-NH2)二次電池及其正極Cl2/LiCl反應(yīng)機(jī)理示意圖。
圖2. Li-Cl2@MOF二次電池在室溫和低溫下的電化學(xué)性能。(a) Li-Cl2@MOF電池在1000 mA/g電流密度下的循環(huán)性能。(b) Li-Cl2@MOF電池不同循環(huán)圈數(shù)的充放電曲線。(c) Li-Cl2@MOF電池在500至2000 mAh/g容量下的充放電曲線。Li-Cl2@MOF電池在150 mA/g至1100 mA/g電流密度下的(d)充放電曲線和(e)循環(huán)性能。(f)本工作與先前報道的多孔碳在累積比容量、電流密度、循環(huán)壽命、工作溫度范圍、庫侖效率和最大比容量方面的對比。(g, h) Li-Cl2@MOF電池的低溫性能。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院的博士后胥燕為該論文的第一作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的陳維教授、江海龍教授、李震宇教授為該論文的共同通訊作者。鋰-氯氣電池的研究工作得到中國科大人才團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.02.010
(化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、科研部)
