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隊，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框架(MOF)材料作電極，實(shí)現了鋰-氯氣二次電池的高比容量（2000mAh/g）、長(cháng)循環(huán)穩定性（500圈）和低溫(-40 ℃)工作等性能。
傳統鋰-亞硫酰氯電池因高能量密度等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應用，但其為一次不可充電池。可充電鋰-氯氣（Li-Cl2）電池是在此基礎上2021年首次實(shí)現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Li-Cl2二次電池的實(shí)際應用，需要克服以下問(wèn)題。首先，由于多孔碳對Cl2分子的物理吸附較弱，Cl2反應受到限制。其次，過(guò)量的LiCl生成到碳孔中往往會(huì )阻塞Li+傳輸和Cl2擴散的通道，阻礙進(jìn)一步的電化學(xué)反應。此外，未結合的Cl2的穿梭效應會(huì )導致電池容量衰減，特別是在高輸出容量下。因此，設計具有合理多孔結構的正極材料對于實(shí)現高性能鋰-氯氣二次電池至關(guān)重要。
本工作提出在Li-Cl2電池中應用具有路易斯堿性官能團的多孔MOF來(lái)改善正極Cl2/LiCl的轉化反應（圖1）。在理論預測的指導下，利用第一性原理計算篩選出具有-NH2官能團的MOF應用在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(guò)程中保持非常穩定的結構，XPS驗證了-NH2基團對Cl2和LiCl的強親和力，從而提高了其氧化還原反應動(dòng)力學(xué)。論文中設計的Li-Cl2@MOF電池最高放電比容量可達2000 mAh/g，并在1000 mAh/g的比容量下穩定循環(huán)超過(guò)500次。同時(shí)，該Li-Cl2@MOF二次電池在低溫-40 ℃下依然可以穩定工作（圖2）。
圖1.Li-Cl2@MOF(UiO-66-NH2)二次電池及其正極Cl2/LiCl反應機理示意圖。
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)圈數的充放電曲線(xiàn)。(c) Li-Cl2@MOF電池在500至2000 mAh/g容量下的充放電曲線(xiàn)。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(xiàn)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隊項目和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專(zhuān)項資金的資助。
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)
