Integrated Covalent Organic Framework/Carbon Nanotube Composite as Li‐Ion Positive Electrode with Ultra‐High Rate Performance

材料科学 电化学 碳纳米管 共价有机骨架 电极 复合数 氧化还原 介孔材料 化学工程 共价键 超级电容器 离子 纳米技术 复合材料 催化作用 有机化学 化学 物理化学 冶金 工程类 多孔性
作者
Hui Gao,Qiang Zhu,Alex R. Neale,Mounib Bahri,Xue Wang,Haofan Yang,Lunjie Liu,Rob Clowes,Nigel D. Browning,Reiner Sebastian Sprick,Marc A. Little,Laurence J. Hardwick,Andrew I. Cooper
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:11 (39) 被引量:73
标识
DOI:10.1002/aenm.202101880
摘要

Abstract Covalent organic frameworks (COFs) are promising electrode materials for Li‐ion batteries. However, the utilization of redox‐active sites embedded within COFs is often limited by the low intrinsic conductivities of bulk‐grown material, resulting in poor electrochemical performance. Here, a general strategy is developed to improve the energy storage capability of COF‐based electrodes by integrating COFs with carbon nanotubes (CNT). These COF composites feature an abundance of redox‐active 2,7‐diamino‐9,10‐phenanthrenequinone (DAPQ) based motifs, robust β‑ketoenamine linkages, and well‐defined mesopores. The composite materials (DAPQ‐COFX—where X = wt% of CNT) are prepared by in situ polycondensation and have tube‐type core‐shell structures with intimately grown COF layers on the CNT surface. This synergistic structural design enables superior electrochemical performance: DAPQ‐COF50 shows 95% utilization of redox‐active sites, long cycling stability (76% retention after 3000 cycles at 2000 mA g −1 ), and ultra‐high rate capability, with 58% capacity retention at 50 A g −1 . This rate translates to charging times of ≈11 s (320 C), implying that DAPQ‐COF50 holds excellent promise for high‐power cells. Furthermore, the rate capability outperformed all previous reports for carbonyl‐containing organic electrodes by an order of magnitude; indeed, this power density and the rapid (dis)charge time are competitive with electrochemical capacitors.
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