Ultra-Thin Hydrogen-Organic-Framework (Hof) Nanosheets for Ultra-Stable Alkali Ions Battery Storage

氢气储存 碱金属 材料科学 离子 电池(电) 无机化学 储能 纳米技术 化学工程 化学 工程类 有机化学 物理 量子力学 功率(物理)
作者
Jialong Tang,Ruoxuan Yang,Yuting Peng,Qian Liu,Hong Lin,Xin He,Yingze Song,Kaipeng Wu,Youngsoo Kang,Long Yang
标识
DOI:10.2139/ssrn.4509538
摘要

Fully organic frameworks-based batteries with excellent physicochemical stability and long-term high capacity, will definitely reduce the cost, carbon emission, and metal consumption and contamination. Herein, we developed an ultra-stable and ultra-thin perylene-dicyandiamide-based hydrogen organic framework (HOF) nanosheet (P-DCD) of around 3.5 nm in thickness. When applied in cathode, P-DCD material exhibited exceptional long-term capacity retainment for alkali-ion batteries (AIBs). Strikingly for lithium-ion batteries (LIBs), at a current of 2 A g-1 the large reversible capacity of 108 mA h g−1 showed no attenuation within 5,000 cycles. For sodium-ion batteries (SIBs), the related capacity retained 91.7% within 10,000 cycles compared with the initial state, significantly much more stable than conventional organic materials reported previously. Mechanism studies through ex-situ and in-situ experiments and theoretical DFT calculation revealed that the impressive long-term performance retention originated from the large electron delocalization, fast ion diffusion, and physicochemical stability within ultra-thin two-dimensional (2D) of P-DCD, featuring π-π and hydrogen bonding stacking, nitrogen-rich units and low impedance. The advantageous features demonstrate that rationally designed stable and effective organic frameworks will pave the way to utilize complete organic materials toward developing next-generation low-cost and highly stable energy storage batteries.
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