近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院陈维教授联合江海龙教授和李震宇教授团队，在国际期刊Joule发表了题为“Metal-Organic Frameworks for Nanoconfinement of Chlorine in Rechargeable Lithium-Chlorine Batteries”的研究型论文。论文采用一种功能化的金属有机框架(MOF)材料作电极，实现了锂-氯气二次电池的高比容量（2000 mAh/g）、长循环稳定性（500圈）和低温(-40 ℃)工作等性能。
传统锂-亚硫酰氯电池因高能量密度等优点得到广泛应用，但其为一次不可充电池。可充电锂-氯气（Li-Cl2）电池是在此基础上2021年首次实现的一种新型高能量密度电池，具有1200 mAh/g的高比容量和3.6 V 的高输出电压。然而，为了实现Li-Cl2二次电池的实际应用，需要克服以下问题。首先，由于多孔碳对Cl2分子的物理吸附较弱，Cl2反应受到限制。其次，过量的LiCl生成到碳孔中往往会阻塞Li+传输和Cl2扩散的通道，阻碍进一步的电化学反应。此外，未结合的Cl2的穿梭效应会导致电池容量衰减，特别是在高输出容量下。因此，设计具有合理多孔结构的正极材料对于实现高性能锂-氯气二次电池至关重要。
本工作提出在Li-Cl2电池中应用具有路易斯碱性官能团的多孔MOF来改善正极Cl2/LiCl的转化反应（图1）。在理论预测的指导下，利用第一性原理计算筛选出具有-NH2官能团的MOF应用在Li-Cl2电池中。冷冻透射电镜和低剂量高分辨透射电镜表征表明，UiO-66-NH2在循环过程中保持非常稳定的结构，XPS验证了-NH2基团对Cl2和LiCl的强亲和力，从而提高了其氧化还原反应动力学。论文中设计的Li-Cl2@MOF电池最高放电比容量可达2000 mAh/g，并在1000 mAh/g的比容量下稳定循环超过500次。同时，该Li-Cl2@MOF二次电池在低温-40 ℃下依然可以稳定工作（图2）。
图1. Li-Cl2@MOF(UiO-66-NH2)二次电池及其正极Cl2/LiCl反应机理示意图。
图2. Li-Cl2@MOF二次电池在室温和低温下的电化学性能。(a) Li-Cl2@MOF电池在1000 mA/g电流密度下的循环性能。(b) Li-Cl2@MOF电池不同循环圈数的充放电曲线。(c) Li-Cl2@MOF电池在500至2000 mAh/g容量下的充放电曲线。Li-Cl2@MOF电池在150 mA/g至1100 mA/g电流密度下的(d)充放电曲线和(e)循环性能。(f) 本工作与先前报道的多孔碳在累积比容量、电流密度、循环寿命、工作温度范围、库仑效率和最大比容量方面的对比。(g, h) Li-Cl2@MOF电池的低温性能。
中国科学技术大学化学与材料科学学院的博士后胥燕为该论文的第一作者，中国科学技术大学化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心的陈维教授、江海龙教授、李震宇教授为该论文的共同通讯作者。锂-氯气电池的研究工作得到中国科大人才团队项目和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.02.010