钴基金属有机框架负极在锂/钠离子电池中的应用

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金属有机框架(MOFs)是由金属离子或团簇和充当电子供体的有机配体通过配位键进行组装得到的多孔有机无机杂化材料。由于MOFs具有结构灵活、孔道大小可调以及功能多样等特点,它在近二十年受到了广泛关注。在本文中,我们首先报道了一种通过简单溶剂热法合成的适用于钠离子电池的花瓣状Co-TDA(TDA=噻吩-2,5-二羧酸)MOF材料。在50 mA g-1的电流密度下循环100次仍可保留328 mAh g-1的可逆容量。据我们所知,这是MOFs材料第一次被直接用作钠离子电池负极,并且其循环性能比众多文献报道过的用于钠离子电池的碳材料性能更好。在上述研究的基础上,我们又通过超声法合成了具有超薄纳米片结构的u-CoTDA,并且用于锂离子电池负极。由于u-CoTDA相对于块状b-CoTDA具有结构优势(更薄、比表面积更高),u-CoTDA表现出更高的可逆容量(在1 A g-1电流密度下循环300次后容量保持在790 mAh g-1;在2 A g-1电流密度下循环400次后容量为548 mAh g-1)以及卓越的倍率性能。最后我们通过硬X射线吸收精细结构谱(XANES)、软X射线吸收谱(sXAS)以及电子顺磁共振谱(EPR)系统地研究了u-CoTDA的氧化还原机制。主要结论如下:(1)XANES研究证明随着Li+的嵌入,Co2+被还原成Co0;(2)EPR研究证明在充放电过程中,有离域传导电子生成;(3)O K-edge sXAS的研究证明放电过程中O 2p和Co 3d轨道会重新杂化,且配位氧周围的局域环境在充电时可以逐渐恢复。
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