Advanced Anode Materials for Sodium-Ion Batteries: Confining Polyoxometalates in Flexible Metal–Organic Frameworks by the “Breathing Effect”

材料科学 阳极 金属有机骨架 法拉第效率 化学工程 离子 氧化物 石墨烯 吸附 扩散 纳米技术 电极 有机化学 热力学 物理化学 化学 工程类 物理 冶金
作者
Dongwei Cao,Quan Sha,Jiaxin Wang,Jiaxin Li,Jing Ren,Tianyang Shen,Sha Bai,Lei He,Yu‐Fei Song
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (19): 22186-22196 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acsami.2c04077
摘要

Polyoxometalates (POMs) have shown great potential in sodium-ion batteries (SIBs) due to their reversible multielectron redox property and high ionic conductivity. Currently, POM-based SIBs suffer from the irreversible trapping and sluggish transmission kinetics of Na+. Herein, a series of POMs/metal-organic frameworks (MOFs)/graphene oxide (GO) (MOFs = MIL-101, MIL-53, and MIL-88B; POM = [PMo12O40]3-, denoted as PMo12) composites are developed as SIB anode materials for the first time. Unlike MIL-101 with large pore structures, the pores in flexible MIL-53 and MIL-88B swell spontaneously upon the accommodation of PMo12. Particularly, the PMo12/MIL-88B/GO composites deliver an excellent specific capacity of 214.2 mAh g-1 for 600 cycles at 2.0 A g-1, with a high initial Coulombic efficiency (ICE) of 51.0%. The so-called "breathing effect" of flexible MOFs leads to the relatively tight confinement space for PMo12, which greatly modulates its electronic structure, affects the adsorption energy of Na+, and eventually reduces the trapping of sodium ions. Additionally, the straight and multidimensional channels in MIL-88B significantly accelerate ion diffusion, inducing favored energetic kinetics and thus generating high-rate performance.
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