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High‐Redox‐Potential p‐Type Covalent Organic Frameworks With Abundant Active Sites for High‐Voltage and Long‐Life Lithium‐Ion Battery Cathodes

阴极 电池(电) 共价键 氧化还原 材料科学 共价有机骨架 有机自由基电池 化学工程 聚合 合理设计 电压 工作(物理) 纳米技术 电极 离子 储能 块(置换群论) 无机化学 电化学 反应机理 化学 钾离子电池 氮气
作者
Ben Yang,Ying Liu,Shixuan Zhang,Bingqi Jiang,Dayong Tian,Fang Wang,Chong Zhang,Sheng Han,Zhenglong Yang,Lin Liu,Ning Fu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:: e6695181-e6695181
标识
DOI:10.1002/anie.6695181
摘要

ABSTRACT Covalent organic frameworks (COFs) hold great promise for advancing lithium‐ion battery (LIB) cathode performance and overcoming resource bottlenecks due to their abundant elemental synthesis, tunable functionality, and stability. However, most COF cathodes commonly suffer from relatively low redox potential and/or poor charge‐storage capability, which limits their energy densities. Here, we report the rational design of a p‐type high‐redox‐potential COF by polymerizing 10,15‐dihydro‐5,10,15‐triethyl‐5H‐diindolo[3,2‐a:3′,2′‐c]carbazole‐3,8,13‐triamine (TAT‐NH 2 ) and 9‐methyl‐9H‐carbazole‐3,6–dicarboxaldehyde (Cz‐CHO) building blocks (namely, TAT‐Cz COF). The COF features an extended π‐conjugated framework and a moderate pore size (∼2.3 nm), enabling efficient anion transport and insertion/de‐insertions. More importantly, by engineering high‐redox‐potential nitrogen sites into the COF, a high operating working voltage (3.0–4.5 V vs. Li + /Li) is achieved. As an LIB cathode, it delivers a high reversible capacity of 131 mAh g −1 at 0.1 C, along with excellent rate performance (65 mAh g −1 at 20 C). Additionally, it demonstrates exceptional cycling stability, retaining 76 mAh g −1 after 3000 cycles at 1.0 C with only 0.0114% capacity decay per cycle. In situ spectra and theoretical calculations reveal a highly reversible charge‐storage mechanism involving N + radical cations coordinated with PF 6 − anions. This work provides insights for developing high‐redox‐potential COFs with tailored structures and enhanced performance for high‐energy‐density organic cathodes.
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