A stable covalent organic framework cathode enables ultra-long cycle life for alkali and multivalent metal rechargeable batteries

材料科学 阴极 共价键 溶解度 化学工程 电化学 氧化还原 吡嗪 储能 乙醚 电极 X射线光电子能谱 纳米技术 有机化学 物理化学 化学 工程类 冶金 功率(物理) 物理 量子力学
作者
Siwu Li,Yanze Liu,Lu Dai,Shuai Li,Bo Wang,Jia Xie,Pengfei Li
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:48: 439-446 被引量:92
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2022.03.033
摘要

Organic electrode materials are promising candidates for sustainable and large-scale energy storage. However, the short lifespan caused by low redox stability and high solubility in electrolytes severely hinders their application. Hexaazatrinaphthalene (HATN), a popular organic cathode material possessing high theoretical capacity, also confronts this problem. Herein, for the first time, we combine chemically stable ether bonds with HATN units to synthesize a HATN-based covalent-organic framework (COF), HATNHHTP, to improve the cathode's structural stability and suppress solubility. By incorporating HATNHHTP with CNTs, the product HATN[email protected] achieves high capacity utilization (> 210 mA h g−1 at 50 mA g−1) due to sufficient exposure of active sites and enhanced electronic conductivity. The stable bonding and pseudocapacitive behavior endow HATN[email protected] with the longest lifespan of 4100 h (6900 cycles with 100% retention) among HATN-based cathodes. The cathode also exhibits activity and stability in Mg and Al batteries, further proving HATN[email protected] a universal cathode. XPS, FT-IR and DFT calculations confirm the role of pyrazine groups as redox centers and ether bonds as structure stabilizers. The ultra-stable and universal HATN[email protected] cathode opens a new door to designing robust organic electrodes for reliable and large-scale energy storage.
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