科学研究

化工学院黄文欢团队在《Advanced Materials》上发表MOF固态电解质研究成果

2023-12-14 09:50 文、图/化工学院 点击:[]

近日,欧美激情一区二区亚洲专区化学与化工学院黄文欢教授团队在Advanced Materials期刊发表题为“Universal F4-modified Strategy on Metal Organic Framework to Chemical Stabilize PVDF-HFP as Quasi-Solid-State Electrolyte”的研究论文,黄文欢教授、阿卜杜拉国王科技大学张华彬教授、扬州大学庞欢教授为论文共同通讯作者,合作者包括西安交通大学仪器分析中心邓楠、梁艳,为本论文提供了重要的测试协助。欧美激情一区二区亚洲专区为第一通讯单位。

设计具备高离子电导率和离子迁移数的固态电解质材料对实现高性能固态电池(SSBs)至关重要。目前,传统的有机和无机固态电解质无法全面满足固态电池高效运行的需求,因此亟需研发新型的高性能固态电解质材料。近年来,金属-有机框架材料(MOFs) 作为一种新型多孔材料,具有孔隙率大、活性位点多、结构易调控等优点,且因其结构多样性和化学可调性,成为固体电解质(SSEs)材料的研究热点。研究发现,MOF材料吸附锂盐后,可用作锂离子导体,并表现出较高的离子电导率和锂离子迁移数。因此,基于金属有机框架(MOF)和聚合物混合基质膜(MMM)的固态电解质(SSEs)在锂金属电池(LMBs)中的锂离子导电和界面电阻方面都表现出极大的促进作用。然而,不良的结构演变和两相之间不明确的电化学反应机制都严重限制了它们的进一步优化和商业应用。通过合理的结构设计提升MOF基MMM固态电池隔膜,解明其在电池中的作用机理至关重要。

本论文工作合成了具有不同F含量的氟改性Zr-BDC,用于与PVDF-HFP组装高性能的固态电解质(QSSE)。Zr-BDC-F4中F位点的化学络合使PVDF-HFP链稳定在β相和无序振荡状态,从而增强了电荷转移和Li传输特性, Zr-BDC-F4/PVDF-HFP QSSE具有5.27×10-4 S/cm高锂离子电导率。隔膜中F-基团的多孔约束和电负性增强了TFSI-阴离子的捕获和解离以及LiF固体电解质相(SEI)的均匀沉积,促进了Li+离子高效传输,抑制了锂枝晶生长。此外,采用XPS深度刻蚀技术和TOF-SIMS研究了锂金属表面的SEI组分,进一步验证了F基团的多孔约束和电负性,Zr-BDC-F4与TFSI-阴离子之间3.32 eV的高结合能促进了LiTFSI的解离和富LiF固体电解质相(SEI)的均匀沉积,使得锂金属负极在高电流密度下的库伦效率和循环稳定性得到显著提高。

为了进一步验证界面稳定性的提高和对锂枝晶的抑制有助于实现长期循环,组装了Li//LFP纽扣电池,经过300次循环后,在1C下仍能保持145.3 mAh/g超高比容量。即使在袋式电池中,2C下也实现了121.9 mAh/g高比容量,并且在300次循环后仍具有很高稳定性。此外,高电压NCM-811//Li和高负载LFP//Li(高LFP质量负载为6.82mg/cm2)准固态电解质具有出色的稳定电化学性能。更重要的是,通过组装Zn-BDC-Fx、Ce-BDC-Fx和Fe-BDC-Fx(x=0,4)QSSE,证实了F4改性策略的普适性;它们在0.5C下,Li| LFP纽扣电池中分别表现出120.8、128.4、114.4mAh/g增强比容量和高稳定性。

文章链接:https://doi.org/10.1002/adma.202310147

附:团队近三年部分代表性论文:

(1)W. Huang*, S. Wang, X. Zhang, Y. Kang, H. Zhang*, N. Deng, Y. Liang, H. Pang*, Universal F4-modified Strategy on Metal Organic Framework to Chemical Stabilize PVDF-HFP as Quasi-Solid-State Electrolyte, Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.202310147. (2022影响因子:29.4)

(2)X. Zhang, Q. Su*, G. Du, B. Xu, S. Wang, Z. Chen, L. Wang, W. Huang*, H. Pang*, Stabilizing Solid-state Lithium Metal Batteries through In Situ Generated Janus-heterarchical LiF-rich SEI in Ionic Liquid Confined 3D MOF/Polymer Membranes, Angew Chem. Int. Ed., 2023, 62(39), e202304947. (2022影响因子:16.6)

(3)W. Huang, C. Su, C. Zhu, T. Bo, S. Zuo, W. Zhou, Y. Ren, Y. Zhang, J. Zhang, M. Rueping*, H. Zhang*, Isolated Electron Trap-Induced Charge Accumulation for Efficient Photocatalytic Hydrogen Production, Angew Chem., Int. Ed., 2023, 62 (25), e202304634.(VIP paper)(2022影响因子:16.6)

(4)W. Huang,* X. Zhang, J. Chen, Q. Qiu, Y. Kang, K. Pei, S. Zuo, and R. Che*, High-density Nanopore Confined Vortical Dipoles and Magnetic Domains on Hierarchical Macro/Meso/Micro/Nano Porous Ultra-Light Graphited Carbon for Adsorbing Electromagnetic Wave, Advanced Science, 2023, 2303217. (2022影响因子:15.1)

(5)W. Huang*, Q. Qiu, X. Yang, S. Zuo, J. Bai, H. Zhang*, K. Pei and R. Che*, Ultrahigh Density of Atomic CoFe-Electron Synergy in Noncontinuous Carbon Matrix for Highly Efficient Magnetic Wave Adsorption. Nano-Micro Letters, 2022, 14(1): 96.(2022影响因子:26.6)

(6)W. Huang, T. Bo, S. Zuo, Y. Wang, J. Chen, S. Ould‐Chikh, Y. Li, W. Zhou*, J. Zhang, H. Zhang*, Surface decorated Ni sites for superior photocatalytic hydrogen production, Susmat, 2022, 2(4) 466-475.(邀稿,2022影响因子:28.4)

(7)W. Huang*, W. Gao, S. Zuo, L. Zhang, K. Pei, P. Liu and R. Che*, and H. Zhang*, Hollow MoC/NC Sphere for Electromagnetic Wave Attenuation: Direct Observation of Interfacial Polarization on Nanoscale Hetero-interfaces. Journal of Materials Chemistry A, 2022, 10: 1290-1298.(杂志封面Outside Front Cover)(2022影响因子:11.9)

(8)W. Huang*, X. Li, X. Yang*, H. Zhang, P. Liu, Y. Ma, and X. Lu, CeO2-embedded mesoporous CoS/MoS2 as highly efficient and robust oxygen evolution electrocatalyst. Chemical Engineering Journal, 2021, 420: 127595.(2022影响因子:15.1)

(9)X. Zhang, W. Huang*, L. Yu, M. García-Melchor, D. Wang, L. Zhi* and H. Zhang* Enabling Heterogeneous Catalysis to Achieve Carbon Neutrality: Directional Catalytic Conversion of CO2 into Carboxylic Acids, Carbon Energy, 2023, e362. (2022影响因子:20.5)

(10)M. Sun, W. Cao, P. Zhu, Z. Xiong, C. Chen, J. Shu*, W. Huang*, Fan Wu*, Thermally tailoring magnetic molecular sponges through self-propagating combustion to tune magnetic-dielectric synergy towards high-efficiency microwave absorption and Attenuation, Advanced Composites and Hybrid Materials, 2023, 6: 54. (2022影响因子:20.1)

(11)C. Feng, Y. Ren, F. Razq, W. Huang*, H. Zhang*, An innovative and ingenious strategy to construct single-atom catalyst for photocatalytic methane conversion, Matter, 2022, 5, 3086–3111. (2022影响因子:18.9)

(12)P. Li, Z. He, X. Li, W. Huang*, and X. Lu*, Fullerene-Intercalated Graphitic Carbon Nitride as a High-Performance Anode Material for Sodium Ion Batteries. Energy & Environmental Materials, 2022, 5: 608–616.(邀稿,2022影响因子:15)

新闻小贴士:

黄文欢,主要从事多氮唑杂化框架的设计合成,能源存贮及转化、电磁波吸收屏蔽、固态电池关键材料的应用研究。入选“2023年度全球前2%顶尖科学家榜单”,陕西省“科学家+工程师”创新团队首席科学家、陕西省科技新星,近年来主持国家项目2项、省部级各类科研项目9项、教学项目3项,获得陕西省高校科学技术奖一等奖(第1完成人)1项,陕西省人才计划项目2项。在Angew Chem. Int. Ed.、Advanced Materials、Advanced Science、Nano-Micro Letters、Carbon Energy、Matter、Journal of Materials Chemistry A、Energy & Environmental Materials、Chemical Engineering Journal等国际期刊上发表SCI论文50余篇,其中受邀撰写综述6篇,高被引论文6篇,热点论文2篇。授权国家发明专利7项,其中4项实现企业转化。曾受邀请在国内外学术会议上作报告16次,媒体转载相关研究成果20余次。组织学生参加“挑战杯”课外学术科技竞赛获得省级二等奖2项、三等奖1项,获得陕西省第六届研究生创新成果展省级一等奖1项,省级创新基金1项;培养研究生获得“优秀毕业生”、“优秀硕士毕业论文”、“国家奖学金”、“研究生高水平科研成果奖励”等。

(核稿:费贵强 编辑:刘倩)

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