研究人员发现密度对于更好的电池材料性能至关重要
锌——廉价、丰富、环保——可能是更好电池的答案，但有一个主要问题：水性锌离子电池(AZIB)在功率输出方面无法与锂离子电池相媲美。为了测试哪种电极材料成分能够使 AZIB 达到标准，中国的一个研究小组开发了两种成分相同但排列方式不同的有机框架。
在进行测试时，具有适当密度活性位点(锌离子在其中获得电子为电池充电)的框架带来了更好的性能。
研究人员于 10 月 8 日在《能源材料与设备》杂志上发表了他们的研究结果。
深圳先进技术研究院碳中和技术研究所材料科学与能源工程系教授、共同第一作者李美琳表示：“十多年来，AZIB作为一种极具前景的电池技术受到了广泛关注。” SIAT)，中国科学院。“人们已经探索了各种电极材料，并对无机材料进行了广泛研究。然而，这些材料经常遇到挑战，包括晶体结构退化和比容量有限。”
构成阴极的有机材料是以晶体形式排列的分子，其中官能团在充电和放电反应期间经历交替的氧化和还原过程，对应于锌离子的吸收和释放。这些分子含有离子发生反应并获得电子的活性位点。然而，无机分子只能容纳有限数量的反应，并且在分解之前只能维持有限的时间。
“与无机材料相比，有机材料表现出优异的氧化还原性能、高比容量和结构灵活性，”李说。“在本文中，我们设计了两种具有相同结构和能量组数量的共价有机框架(COF)材料，以研究活性位点密度与电化学性能之间的相关性。”
第一个 COF 使用有机分子苯并喹喔啉苯醌 (BB-COF)，而第二个则使用三喹喔啉基苯醌 (TB-COF)。两个框架都是环形的，每个框架中的能量组数量相同。能量基团容纳活性位点，或者与氧或氮键合的碳原子。BB-COF 也更大，能量基团彼此间隔更远。TB-COF 总体上是一种较致密的分子，但 BB-COF 的能量基团的活性位点更加稀疏。
Li 表示，这似乎是获得更好电化学性能的关键。
Li 表示：“虽然 TB-COF 因其密集的官能团而拥有值得称赞的初始比容量，但由于有效的相互作用，其容量容易下降，这使其在争夺 AZIBs 正极材料的角色时处于不利地位。” “另一方面，BB-COF 即使在 -40 摄氏度下也表现出稳定的循环，循环次数达 2,000 次，这意味着即使电池充放电 2,000 次，它也能保持稳定。”
研究人员分析了 COF 的化学成分和形态，确定较大直径的 BB-COF 能够实现快速离子传输和更有效地利用活性位点。在室温下，经过 10,000 次循环后，BB-COF 保留了每克质量 72 毫安时的比容量(每重量电荷的测量值)。TB-COF的比容量下降至每克质量40毫安时。
“调节和控制孔隙尺寸以获得最佳活性位点密度被认为不仅可以提高COF途径中锌离子的传输速率，而且有助于维持COF结构的稳定性，”Li说。“因此，这种方法是未来努力的方向。”
合著者包括曾范斌、李森林、胡三略和韩翠萍，均来自 SIAT;刘清明、张腾飞和周，均来自港华能源学院。
国家自然科学基金委员会、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市杰出青年基础研究项目、中国博士后科学基金和中国科学院特殊研究助理资助项目等资助该研究。
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