为冷冻条件下的锂电池开发具有氧化还原活性的金属有机骨架

Josiah02

韩国能源研究所 (KIER) 开发了一种用于锂电池的氧化还原活性金属有机混合电极材料 (SKIER-5)，该材料在低至零下 20 摄氏度的低温条件下仍能保持稳定。SKIER-5 解决了石墨作为传统锂电池阳极材料在冰冻条件下的局限性，有可能成为一种更好的替代品。这种新型材料可用于锂电池，适用于各种应用，包括电动汽车、无人机和超小型电子设备，即使在低温下也是如此。
目前，石墨因其热力学稳定性和低成本而成为锂离子电池阳极的常规材料。然而，采用石墨阳极的电池存在显著的缺点：其存储容量在零下温度下会急剧下降，并且在充电过程中阳极表面会形成树枝状晶体。这可能导致热失控和潜在的爆炸。
由 KIER 的 Jungjoon Yoo 博士、Kanghoon Yim 博士和 Hyunuk Kim 博士领导的研究团队开发了一种氧化还原活性导电金属有机骨架，称为“SKIER-5”。该骨架由基于三蒽的有机配体和镍离子组装而成。在零下环境下，SKIER-5 的放电容量比石墨高出五倍。
SKIER-5 阳极的放电容量达到 440 mAh/g，超过了室温下石墨电极的 375 mAh/g。值得注意的是，经过 1,600 次充电放电循环后，容量增加了约 1.5 倍（600 mAh/g）。这是一个非凡的结果，因为放电容量通常会随着重复的充电放电循环而降低。
测试开发的阳极。图片来源：韩国能源研究所
研究团队在浦项加速器实验室利用高通量X射线分析证实了SKIER-5的氧化还原机理。与石墨不同，SKIER-5包含镍离子和基于杂原子（N、F、S）的有机配体，可与锂离子相互作用，引发涉及电子转移的氧化还原反应。该过程可增加电子存储，从而提高放电容量。
值得注意的是，SKIER-5 的放电容量达到 150 mAh/g，比零下 20 摄氏度的石墨高出五倍。这种增强的性能归因于 SKIER-5 引发化学反应的最低能量阈值低于石墨。因此，SKIER-5 在反应速率通常会降低的低温环境中保持稳定的性能。
利用基于量子化学的第一性原理计算验证了SKIER-5的工作原理。研究团队首先确定了SKIER-5的晶体结构，与X射线结构分析结果相一致，并预测了锂吸附位点，通过计算预测了材料的理论容量和反应电压，预测值与实验结果高度吻合，证实了SKIER-5作为锂电池负极具有优异性能的根源。
更多信息： Yogendra Kumar 等人，低温下具有高锂容量的氧化还原活性导电金属有机骨架，材料化学杂志 A (2024)。DOI ：10.1039/D4TA01779J
期刊信息： 材料化学杂志A