在此，韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）Seokwoo Jeon, Il-Doo Kim以及美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納香檳分校（UIUC）Paul V. Braun等人報(bào)道了一種用于實(shí)現(xiàn)3D雙連續(xù)納米網(wǎng)絡(luò)（3D PIN/Ni）的光刻制造策略，該技術(shù)重復(fù)性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)。該網(wǎng)絡(luò)由周期性多孔Ni支撐的氧化還原活性聚酰亞胺層（孔半徑<300 nm）組成，為電子和離子傳輸提供高導(dǎo)電通路。通過結(jié)構(gòu)工程，Ni具有優(yōu)異的硬度、電化學(xué)穩(wěn)定性和高導(dǎo)電性（1.43×107 S m-1），3D Ni提供了用作有機(jī)電極材料載體所需的各種性能的必要組合。采用聚酰亞胺基多羰基聚合物納米粒子（PIN）作為有機(jī)電活性材料，其電解質(zhì)溶解度低，理論容量高（1460 mAh g-1）。
通過這種3D結(jié)構(gòu)負(fù)極中幾乎所有不飽和C=C鍵的超鋰化，實(shí)現(xiàn)了1260 mAh g-1的高可逆容量，在10C倍率下250次循環(huán)后容量保持率為82.8%。這項(xiàng)研究首次在高達(dá)400C倍率下實(shí)現(xiàn)了有機(jī)負(fù)極的鋰離子存儲(chǔ)，容量為664 mAh g-1/2810 mAh cm-3），超過了快充混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的目標(biāo)線（半電池級(jí)別容量為1000 Wh kg-1/1500 Wh L-1），為高性能有機(jī)電池開辟了新的工程機(jī)會(huì)。
圖1. 鋰化/脫鋰過程中CV曲線和Nyquist圖的電化學(xué)變化
圖2. 3D PIN/Ni與商業(yè)有機(jī)負(fù)極的性能比較
3D periodic polyimide nano-networks for ultrahigh-rate and sustainable energy storage, Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/D1EE01739J
鋰金屬的高比容量是滿足當(dāng)前可充電電池需求的理想選擇，但鋰枝晶和不可逆的體積膨脹是應(yīng)用的主要障礙。3D鋰主體材料可以通過大表面積降低電流密度并在其孔隙中容納鋰金屬來緩解這些問題。然而，由于鋰離子通過曲折孔擴(kuò)散緩慢導(dǎo)致鋰枝晶堵塞，從而導(dǎo)致枝晶生長，因此持續(xù)觀察到鋰枝晶。在此，美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)Choongho Yu博士等人將MOF層涂覆在化學(xué)處理的碳納米管支架（C-CNT）整個(gè)外表面（LM-CNT）或支架中的單個(gè)碳納米管（IM-CNT）上，通過在動(dòng)態(tài)現(xiàn)場原位（operando）條件下直接可視化電池和在掃描電鏡下對(duì)碳納米管電極橫截面的非原位觀察研究其鍍鋰行為。CNT支架外側(cè)的MOF層增加了多孔支架中鋰的嵌入（8 mA cm-2時(shí)為24 mAh cm-2）和鋰電鍍/剝離壽命（保持20 mAh cm-2循環(huán)1700 h以上）。MOF具有足夠大的孔以供鋰離子滲透，其電絕緣特性會(huì)產(chǎn)生電容效應(yīng)，將鋰離子分布在MOF層的表面，以避免在鍍鋰過程中出現(xiàn)枝晶生長和堵塞。因此，LM-CNT負(fù)極具有出色的體積和重量容量（≈940 mAh cm-3和≈980 mAh g-1）以及出色的累積容量（≈4.9 Ah cm-2）。這種有前途的方法可以在存儲(chǔ)鋰時(shí)無枝晶，以提供當(dāng)前可充電電池所需的高能量密度。圖1. 基于LM-CNT、C-CNT、IM-CNT電極電池的operando觀察圖2. LM-CNT電極的橫截面SEM圖像及電化學(xué)性能Large Cumulative Capacity Enabled by Regulating Lithium Plating with Metal-Organic Framework Layers on Porous Carbon Nanotube Scaffolds. Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202104899
有機(jī)分子由于其可調(diào)節(jié)的理論容量和環(huán)境友好性，是用于綠色和可持續(xù)可充電電化學(xué)儲(chǔ)能的有前途的電極材料。然而，有機(jī)電極材料在電解液中的高溶解度和固有的低電子電導(dǎo)率阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用。在此，湘潭大學(xué)高平教授等人報(bào)道了將一系列雙極乙炔基卟啉配合物（MTEPP, M=Cu, Zn, Mg, 2H）作為高穩(wěn)定性的新型雙離子存儲(chǔ)通用正極材料。受益于其雙極性能力，陽離子（Li+, Na+, K+）和陰離子（PF6–和TFSI–）均可用作電荷載流子以提供快速動(dòng)力學(xué)和出色的電荷存儲(chǔ)能力。基于卟啉電極的高度共軛結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)的穩(wěn)定性，當(dāng)CuTEPP用作有機(jī)鋰電池（OLIBs）的正極時(shí)，獲得219 mAh g-1的高可逆容量。ZnTEPP正極在1.0 A g-1時(shí)1000次循環(huán)后的容量保持率為83.6%，可逆容量為128 mAh g-1。在鈉基和鉀基電池中也觀察到了良好的循環(huán)穩(wěn)定性和高度可逆的能力。通過不同的光譜和顯微技術(shù)以及DFT模擬研究表明，電荷存儲(chǔ)主要受贗電容貢獻(xiàn)控制，從而實(shí)現(xiàn)超快反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。這項(xiàng)研究為開發(fā)用于電化學(xué)儲(chǔ)能的超穩(wěn)定和通用有機(jī)正極提供了一種新方法。圖1. M-TEPP的分子結(jié)構(gòu)及充電過程示意圖圖2. M-TEPP正極材料的電化學(xué)性能A Bipolar Organic Molecule Toward a Universal Pseudocapacitive Cathode for Stable Dual Ion Charge Storage, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.08.003
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