AFM: 三氟甲基功能化 COF：开启锌碘电池超长寿命与高倍率性能新时代

文章总结

研究背景：电动汽车和储能设备发展促使研发高效、低成本、高安全性电池。水性锌碘电池（AZIBs）因成本低、比容量高（211 mAh g−1）、安全性高和氧化还原动力学快受关注，但碘电导率差（10−5–10−7 S cm−1 ）和多碘化物穿梭问题限制其性能，开发理想碘宿主材料是关键。

F-COF 材料研究

合成与表征：用溶剂热法合成 三氟甲基功能化共价有机框架（F-COF ）和对照样品 TpBD-COF。XRD 显示 F-COF 在 2.45° 出现对应 (100) 晶面的衍射峰（Rwp = 3.72，Rp = 2.66） 。FT-IR 证明单体反应完全。SEM 显示 F-COF 呈直径约 270 nm 的球形结构。氮吸附 - 脱附测试表明，F-COF 碘负载前比表面积为 349.36 m2 g−1 ，高于 TpBD-COF（103.92 m2 g−1 ）。

多碘化物捕获能力：UV-vis 测试显示，F-COF 对 I−和 I3−的捕获能力强，对 I−的特异性捕获能力为 0.35 g g−1 （KB 为 0.19 g g−1 ），对 I3−的特异性捕获能力为 0.58 g g−1 （KB 为 0.38 g g−1 ）。DFT 模拟表明，F-COF 与 I−、I2、I3−和 I5−的结合能分别为−0.92 eV、−0.55 eV、−0.85 eV 和−0.96 eV，强于 TpBD-COF 和 KB。

锌碘电池性能

循环与倍率性能：1C 下，F-COF-I2 阴极的电池初始比容量约 197 mAh g−1 ，库仑效率约 99.5%，100 次循环后容量几乎不变；KB-I2 阴极初始比容量约 168 mAh g−1 ，循环效率约 87.5%，100 次循环后容量降至 142 mAh g−1 。F-COF-I2 阴极在 1C、2C、5C、10C、20C 和 50C 下，电池容量分别达 199 mAh g−1 、184 mAh g−1 、176 mAh g−1 、159 mAh g−1 、137 mAh g−1 和 121 mAh g−1 ；50C 下可稳定循环 40000 次，库仑效率 99.7%。

高碘负载性能：7.2 mg cm−2 碘负载下，1C 时 F-COF-I2 阴极比容量 188 mAh g−1 ，可稳定循环 500 次。4.6 mg cm−2 碘负载下，0.5C - 5C 间 F-COF-I2 阴极比容量在 181.4 mAh g−1 - 201.4 mAh g−1 。

多碘化物对锌阳极影响：多碘化物会腐蚀锌箔，F-COF 能抑制多碘化物穿梭，减少锌阳极腐蚀和副产物生成。如 F-COF 基锌碘电池循环后锌阳极表面更光滑，副产物更少。

研究结论：调节 F-COF 电子分布制备出强吸附多碘化物宿主材料，抑制穿梭效应。F-COF-I2 阴极在 1C 下比容量 197 mAh g−1 ，循环效率 99.5%。基于 F-COF 的锌碘电池倍率性能和循环寿命优异，为下一代锌碘电池材料设计提供新方向。

图文简介

a) 通过溶剂热法制备 F-COF 的示意图。b) F-COF 吸附过程的模拟图。c) F-COF 的 X 射线衍射图谱。d) F-COF 的傅里叶变换红外光谱图。e) F-COF 的 N 1s 能谱图。f) F-COF 的 C 1s 能谱图。g) F-COF 的扫描电子显微镜图像。h) C、O、F 和 N 元素相应的能量色散 X 射线光谱元素分布图。

使用以下材料的锌 - 碘（Zn-I₂）电池的原位紫外 - 可见光谱：a) F-COF-I₂和 b) KB-I₂。c) 溶解的 I₃⁻的相应浓度。使用 F-COF-I₂的锌 - 碘电池的 d) 原位拉曼光谱以及 e) I₃⁻和 I₅⁻的相关强度变化情况。使用 KB-I₂的锌 - 碘电池的 f) 原位拉曼光谱以及 g) I₃⁻和 I₅⁻的相关强度变化情况。

使用以下材料的锌 - 碘（Zn-I₂）电池在不同扫描速率下的循环伏安（CV）曲线：a) F-COF-I₂和 b) KB-I₂。c) 不同扫描速率下的氧化峰电位和还原峰电位。d) 作为扫描速率函数的氧化峰电位和还原峰电位。e) 在高碘负载量为 7.2 毫克每平方厘米的情况下，锌 - 碘电池的循环性能以及相应的 f) 充放电曲线。g) 在高碘负载量为 4.6 毫克每平方厘米的情况下，使用 F-COF-I₂阴极的锌 - 碘电池的倍率性能。h) 在高碘负载量为 5.1 毫克每平方厘米且电流密度为 5C 的情况下，锌 - 碘电池的循环性能。

论文信息

通讯作者： Xin Wang, Zhongwei Chen，Dan Luo