中北大学王凯、梁君飞CEJ: 原位生长优化的Al-MOF@RGO复合电极材料及其高容量长循环储锂机制解析

中北大学王凯、梁君飞团队在CEJ发表了关于原位生长优化的Al-MOF@RGO复合电极材料及其高容量长循环储锂机制的研究。该研究通过一步自组装水热法将优化的Al-MOF颗粒原位生长在改性氧化石墨烯表面，制备出具有高容量和长循环稳定性的复合电极材料，并揭示了其优异的储锂机制。研究背景MOF材料潜力：金属有机骨架（MOF）材料因其比表面积大、反应位点丰富、孔径可调和易于大量制备等优点，被视为具有巨大潜力的锂离子电池负极材料。现存问题：MOF电极材料存在锂离子传输能力弱、电导率低和结构稳定性差等问题，阻碍了其实用化进程。研究目的：本文通过原位优化生长结合孔径调节的手段，解决上述问题，获得结构稳定的MOF基复合电极材料，并揭示其优异储锂机制。研究内容材料制备：通过一步自组装水热法，将优化的Al-MOF颗粒原位生长在改性氧化石墨烯表面，形成Al-MOF@RGO复合材料。孔径优化：调节自组装水热的反应时间和温度，优化Al-MOF颗粒内部的孔径分布，提供更多活性位点，提高锂离子传输能力和储锂位点。结构形成：通过静电吸引和异质形核双重调控，在改性氧化石墨烯表面原位生长优化的Al-MOF颗粒，形成高导电性的三维结构，增强电子电导率和结构稳定性。研究要点结构表征：形貌和结构：Al-MOF和RGO颗粒表面具有相反的Zeta电位，存在强静电引力，使得Al-MOF颗粒（0.6-0.8 μm）均匀牢固地锚定在RGO层表面。导电性：Al-MOF@RGO复合材料的电阻率达到1.76 Ω/cm，远小于Al-MOF（＞105 Ω/cm），表明原位生长对导电性的促进作用。电化学性能：半电池性能：Al-MOF@RGO负极材料在1.0 A/g电流密度下循环1000次后表现出468.5 mAh/g的比容量，展示了长循环容量增强型的优异储锂性能。全电池性能：Al-MOF@RGO//LiFePO4全电池初始充电容量达到236.0 mAh/g，ICE为78.0%，在3.0 C下循环100次后，充电比容量保持在104.0 mAh/g，展示了商业应用潜力。性能增强机理：DFT计算：锂离子在Al空位附近更容易嵌入到四配位构型，结合能分别为0.31和?0.51 eV。赝电容贡献：Al-MOF@RGO具有较高的赝电容贡献率，在1.0 mV/s时为97.98%，表明非法拉第过程在容量增强方面发挥了关键作用。电子结构稳定性：非原位XRD、XPS等手段证明电极材料在放电/充电过程中电子结构不会改变，具有更快且更可逆的锂离子嵌入脱出过程。研究总结材料优势：本文通过一步自组装水热法制备的Al-MOF@RGO复合材料，具有发达的孔洞结构和丰富的反应位点，有效提高了锂离子的传输能力和储锂位点。性能提升：原位引入改性氧化石墨烯层不仅提高了复合材料的电子电导率，还增强了循环过程中的结构稳定性。应用潜力：Al-MOF@RGO//LiFePO4全电池的优良性能展示了其在锂离子电池中的商业应用潜力。文章信息标题：In situ growth-optimized synthesize of Al-MOF@RGO anode materials with long-life capacity-enhanced lithium-ion storage链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140561通讯作者简介王凯：博士毕业于大连理工大学，2021年7月加入中北大学能源与动力工程学院，主要从事高性能电极材料设计、制备及其电化学性能研究。梁君飞：中北大学教授，北京航空航天大学博士，加州大学洛杉矶分校博士后，主要从事锂离子电池及新型二次电池研究，发表多篇国际知名学术期刊论文，担任多个学术职务。