Heterogeneous intercalated metal-organic framework active materials for fast-charging non-aqueous Li-ion capacitors

材料科学 电化学 电极 插层(化学) 离子 水溶液 储能 化学工程 无机化学 化学 有机化学 物理化学 量子力学 物理 工程类 功率(物理)
作者
Nobuhiro Ogihara,Masaki Hasegawa,Hitoshi Kumagai,Riho Mikita,Naoyuki Nagasako
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:17
标识
DOI:10.1038/s41467-023-37120-9
摘要

Intercalated metal-organic frameworks (iMOFs) based on aromatic dicarboxylate are appealing negative electrode active materials for Li-based electrochemical energy storage devices. They store Li ions at approximately 0.8 V vs. Li/Li+ and, thus, avoid Li metal plating during cell operation. However, their fast-charging capability is limited. Here, to circumvent this issue, we propose iMOFs with multi-aromatic units selected using machine learning and synthesized via solution spray drying. A naphthalene-based multivariate material with nanometric thickness allows the reversible storage of Li-ions in non-aqueous Li metal cell configuration reaching 85% capacity retention at 400 mA g-1 (i.e., 30 min for full charge) and 20 °C compared to cycling at 20 mA g-1 (i.e., 10 h for full charge). The same material, tested in combination with an activated carbon-based positive electrode, enables a discharge capacity retention of about 91% after 1000 cycles at 0.15 mA cm-2 (i.e., 2 h for full charge) and 20 °C. We elucidate the charge storage mechanism and demonstrate that during Li intercalation, the distorted crystal structure promotes electron delocalization by controlling the frame vibration. As a result, a phase transition suppresses phase separation, thus, benefitting the electrode's fast charging behavior.
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