苯醌基金属有机框架正极材料的设计、制备及其储锂性能研究

Rigid organic molecules are sparingly soluble in organic electrolyte solution, due to their unique rigid framework structure or group. The Rigid organic molecules show long cycling stability as cathode materials. However, the relatively low specific capacity and reduction potential (< 3V) limits the energy density of the electrode materials. This proposal will prepare a series of novel metal organic frameworks (MOFs) materials by combining the simplest quinone structural ligands (such as benzoquinone) and metal ions with high redox potential (such as Co, Mn etc.).Much attention will be focused on the influence of changing coordination group (such as –COOH or -NH2) of benzoquinone structural on the structure, morphology, pore sizes, electrochemical properties and factors affecting working voltage of the MOFs. This will enable the designing and tailoring the structure, morphology and composition to improve the operating voltage of MOFs and Li storage capacity. It demonstrates the redox sequence and interaction relationship of metal ions and organic ligands in the electrochemical reaction process, and reveal Li+ storage mechanism for MOFs. This project will offer important insights into developing organic cathode materials with high voltage, high specific capacity and high cycling stability, and important reference to other ion (such as Na+ and K+)battery systems.

刚性有机分子因具有刚性骨架或刚性基团在有机电解液中溶解度极低，作为电极材料展现出良好的循环稳定性。然而，相对较低的比容量和还原电位（＜3V）是限制其能量密度的主要因素。本项目拟采用最简单的醌类化合物（苯醌）结构为配体，高氧化还原电位的金属元素（Co、Mn等）为中心配位离子，通过配位化学键自组装成新型苯醌基金属有机框架材料（MOFs）。重点关注苯醌结构上配位连接键（-COOH或-NH2）的变换对MOFs结构、形貌、孔径大小、电化学性能、氧化还原电位的影响。实现设计与调控MOFs的结构、形貌、组成以达到提高其工作电压和放电容量的目的。阐明金属离子与配体在电化学反应过程中氧化还原的先后顺序及相互作用关系，揭示材料电化学反应机理。本项目为发展高电压、高容量和高循环稳定性的锂离子电池有机正极材料提供理论基础和实验依据，同时也为该类型材料应用于其他类型离子（Na+、K+等）电池体系提供重要数据参考。

本项目针对有机小分子（醌类）作为电极材料时出现的易溶解、导电性差、工作电位低和其反应产物穿梭到负极一侧等问题，提出将小分子醌与功能性碳材料复合、制备功能性隔膜以及形成配位化合物和微孔聚合物等策略来克服其所面临的挑战。设计并开发了几种金属有机配位化合物正极，探究了不同金属离子对其电化学行为的影响，揭示了其电化学储能机理，构筑了全有机电池体系。相关研究结果为设计和发展高电压、高容量和高循环稳定性的有机正极材料提供理论基础和实验依据，同时为该类型材料应用于锂离子电池及其他类型离子电池体系（如Na+、Zn2+）提供重要数据参考。此外，在项目的资助下，以第一/通讯作者以及参与作者在J. Mater. Chem. A，ACS Appl. Mater. Interfaces，J. Power Sources，J. Mater. Chem. C，Sci China Mater，J. Alloys Compd.，Ind. Eng. Chem. Res.，ACS Sustainable Chem. Eng.等国内外期发表文10篇 (SCI 论文9篇，中文论文1篇)，申请国家发明专利2项，参加中国化学会年会、国际电化学原系统会议等学术会议并做学术报告，圆满完成了项目预定目标。