Multifunctional covalent organic frameworks for high capacity and dendrite-free lithium metal batteries

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作者
Ying Xu,Yang Zhou,Tao Li,Shuaihu Jiang,Xueren Qian,Yuwen Qin,Yijin Kang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:25: 334-341 被引量:74
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2019.10.005
摘要

For its high specific capacity of 3860 mAh g−1 and low redox potential of −3.04 V (vs. SHE), lithium (Li) metal has been regarded as one of the most promising anode materials for the next-generation batteries. However, the limited Li utilization and the detrimental dendrite growth severely impede the practical application of Li metal batteries. Herein, the covalent organic frameworks LZU1 (COF-LZU1) is introduced to serve as a protective layer in-between the Li anode and separator. Because of the interaction between bis(trifluoromethanesulonyl)imide (TFSI) anions and aldehyde functional groups in COF-LZU1, TFSI− are immobilized on the COF-LZU1, alleviating the impact of space charge and hence suppressing the dendrite growth. Furthermore, the imine-linked COF-LZU1 is lithiophilic and electrolyte wettable, enabling a homogenous Li ions flux distribution and transport and hence resulting in a low voltage hysteresis. With the dendrite-free anode, the utilization of Li achieves >99% in Li–Cu cell and the life-span is over 2000 h in Li–Li symmetric cell with a low voltage hysteresis of ≈35 mV. Moreover, Li-Sulfur batteries with COF-LZU1 layer present significantly better stability and rate properties than the ones without COF-LZU1. Therefore, utilization of the COF-LZU1 protective layer has been successfully demonstrated to be an effective approach to enable safe and high power/energy density Li metal batteries.
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