近日，化材院宾德善/李丹团队在面向低成本高温钾离子电池体系应用的导电金属有机框架（cMOF）负极材料研究方面取得重要进展，相关结果以“Conductive Metal-Organic Framework with Superior Redox Activity as Stable High-Capacity Anode for High-Temperature K-Ion Battery”为题发表在学术期刊《JACS》（美国化学会志，IF=15.0）上。
高温可充电电池对于高温环境下的能源储存是必不可少的。由于钾离子电池具备资源丰富、输出电压高等优势，高温钾离子电池的研究日益受到重视。然而，提高工作温度会加剧钾离子电池负极的化学和机械不稳定性。此外，高温还可能在电极和电解液界面引发严重的副反应，导致固体电解质界面结构恶化，容易引发电极结构衰退，进而造成电池容量和倍率性能快速衰减。因此，追求稳定的高容量高温KIBs负极成为一个更加艰巨的挑战。导电金属有机框架材料具有资源丰富、结构设计性强、导电性好，框架结构稳定等优势，有望成为设计高温KIBs负极的新材料。然而，导电MOF作为高温储钾负极的应用必须兼顾具备丰富的氧化还原活性位点、坚固的稳定性和高的导电性。目前开发这样的块体（Bulk）MOF材料仍面临巨大挑战。团队报道了一种具有优越的氧化还原活性导电金属-有机框架（HAN-Cu-MOF）作为高容量长循环高温钾离子电池负极材料。
作者采用XRD、TEM和BET等表征手段先对导电MOF进行了表征，一系列表征验证其成功的合成了HAN-Cu-MOF。其中该MOF中丰富的C=N和CuO4结构单元为K+的储存提供了丰富的氧化还原活性位点，并且MOF大的比表面积可以缓冲钾化后的电极的体积形变。
通过将具有氧化还原活性的HAN(六氮杂萘)和CuO4结构单元固定到MOF结构中，合成了HAN-Cu-MOF。该MOF具有优异的导电性，并且含有丰富的C=N活性基团和CuO4结构单元，展现出优异的储钾容量和快速的反应动力学。实验结果表明，该MOF在60 ℃电解液中的难溶解性和钾化后的低体积形变率可以使电极材料在60 ℃高温条件下反复充放电过程中具有优异的循环稳定性。电化学测试结果表明，作为高温储钾负极，该MOF可在50 mA g-1的电流密度下获得455 mAh g-1的高可逆比容量，优异的倍率性能和良好的循环稳定性，即使在1000 mA g-1的电流密度下循环1600次，其容量保持率高达96.7%，优于目前报道的所有高温钾离子电池负极性能。
多种表征手段结合理论计算均表明了C=N基团和CuO4结构单元可以为K+的存储提供有效的氧化还原活性位点。本研究为基于配位化学策略设计高性能高温电池电极材料提供了新的视角。博士生杨梦华为本文第一作者。
该成果得到了国家自然科学基金、国家自然科学基金重点项目、广东省重大基础与应用基础计划、广东省自然科学杰出青年基金、广州市科技计划项目和beat365网页版登录官网等项目的资助。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c13113
文图：杨梦华
校对：刘 雪
责编：程 瑶
初审：王启伟
终审：陈填烽
