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产学研动态

光电信息学院王成亮课题组取得能源存储领域研究新进展

日期:2018-10-12 发布者:

 

10月8日,国际权威学术期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie)刊发了光电信息学院王成亮教授课题组重要研究进展,论文题目为“有序化二维共价有机网格构筑通用离子筛”(Constructing universal ionic sieves via alignment of two-dimensional covalent organic frameworks)。

由于快速发展的能源需求和商用电池材料的资源有限性,锂离子电池的替代品得到了大量的关注和研究。锂硫电池、有机锂离子(钠离子)电池、液流电池等等替代品基于不同的应用领域考虑应运而生。然而,这些新兴的电池可能会面临着电极材料溶解和在正负极间扩散造成性能衰减的问题。

针对此问题,该课题组前期将有机电子学中获得pin-hole free介电层薄膜的概念引入到有机电池领域,利用聚合物获得了一种离子选择性渗透膜。该渗透膜有效地抑制了电极材料在正负极间的扩散。组装了该渗透膜后,电池的循环使用寿命大幅提高。该工作被发表在《先进材料》上(Adv. Mater. 2016, 28, 9182)。对于这样的渗透膜,具有有序、可控纳米孔的层状共价有机网格(COFs)似乎是一种更好的选择。但是通常COFs并不溶解,很难制备有序的、致密的薄膜,使纳米孔有序排列从而一方面保证离子的穿梭、但另一方面又能阻挡活性电极材料的通过。早期有工作提出共轭COFs的π–π作用可以使材料在高压下有序排列。基于此,王成亮教授等人认为石墨烯的π–π作用可能也可以用于诱导COFs的有序排列。为此,他们通过简单的过滤,直接将COFs的分散液抽滤到预先获得的石墨烯薄膜上,便实现了COFs的有序排列。形貌分析、粉末XRD和掠入射XRD结果都表明COFs的片状颗粒几乎全部采用“face-on”的模式平铺在石墨烯上(图一)。

 

    《德国应用化学》 王成亮教授 《先进材料》 石墨烯 天津大学 胡文平教授

直接抽滤获得的无序COFs粉末与在石墨烯上抽滤获得的有序排列COFs薄膜

 

活性材料多硫化锂的穿梭效应是锂硫电池的一大关键问题,会造成锂硫电池性能的大幅衰减。获得的双层COF-rGO薄膜进而被用作离子筛,用于锂硫电池中。添加了该双层薄膜之后,多硫化锂的穿梭效应被有效抑制(图二),锂硫电池的性能得到了大幅改善(图三)。同时充放电之后,薄膜仍然能保持形貌和结构的稳定。

有机材料在电解液中的溶解也是有机电池面临的一个关键问题。同时,考虑到钠离子的尺寸比锂离子大,钠离子是否能有效通过该双层薄膜是其能否成为普适性离子筛用于电池体系中的关键。进而,该双层COF-rGO薄膜作为离子筛又被用于有机钠离子电池中。王成亮教授等人发现添加该双层薄膜后,有机钠离子电池的性能也可以得到大幅提升,远好于课题组前期获得的聚合物选择性渗透膜。

 

    《德国应用化学》 王成亮教授 《先进材料》 石墨烯 天津大学 胡文平教授

 

通用离子筛对于多硫化锂穿梭的抑制效应(从上到下分别为普通隔膜,添加了石墨烯和双层COF-rGO薄膜后的效果)

 

    《德国应用化学》 王成亮教授 《先进材料》 石墨烯 天津大学 胡文平教授

通用离子筛对于锂硫电池性能的改善效果

 

简单来说,王成亮教授团队开发了一种实现共价有机网格(COFs)有序排列的新方法。该法获得的大面积自支撑有序薄膜作为通用离子筛可以用于锂硫电池和有机钠离子电池中,从而有效地抑制活性材料的溶解造成的穿梭效应,大幅提高了电池性能。该工作发表在近期的《德国应用化学》上(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201809907,影响因子:12.102)。博士生姜澄是该文的第一作者,王成亮教授为通讯作者,我校为第一完成单位。该工作得到了天津大学胡文平教授的指导和大力帮助。

 

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