Application of Covalent Organic Frameworks in High-performance Lithium-ion Battery Anode Materials

doi:10.7503/cjcu20230523

Abstract

Abstract:

In this work， two covalent organic frameworks（COF-1， COF-2） with high thermal stability， good crystallinity， and large specific surface area were prepared through polycondensation. When used as anode materials for lithium-ion batteries（LIBs）， they exhibited high reversible capacities（charging specific capacities after 150 cycles， COF-1： 484 mA·h/g and COF-2： 327 mA·h/g， respectively）， excellent rate performance（reversible capacities at 2 and 10 A/g current densities， COF-1： 296， 180 mA·h/g， and COF-2： 265， 166 mA·h/g， respectively）， working capacity under extremely high current density（charging specific capacities for 2000 cycles of 5 A/g current density， COF-1： 572 mA·h/g， COF-2： 332 mA·h/g） and operating performance under extreme temperatures（charging specific capacities after 40 cycles in 50 and ‒15 ℃ environments， COF-1： 2101， 218 mA·h/g， COF-2： 1760， 172 mA·h/g）. In addition， both types of COFs have the ability to activate electrochemical active groups as charging and discharging continue. COF-1 and COF-2 were cycled 400 times without adding conductive agents， and the charging specific capacity increases from 23 and 16 mA·h/g to 45 and 31 mA·h/g， respectively. And through the analysis of experimental data， we prove that under the conditions of high current density or high temperature environment， which can accelerate the ion diffusion rate， the activation effect is more favorable. By comparing these two types of COF materials， we also found that COF-1 with triazine ring structures has better lithium storage performance and electrochemical reaction kinetics than COF-2 with all benzene ring structures， indicating that C=N in the aromatic ring may be a group with high electrochemical activity.

Key words: Covalent organic framework, Lithium-ion battery, Anode material, Specific capacity increase, Electrochemical activity

CLC Number:

O646

TrendMD:

ZHANG Jinkai, LI Jiali, LIU Xiaoming, MU Ying. Application of Covalent Organic Frameworks in High-performance Lithium-ion Battery Anode Materials[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(3): 20230523.

Figures/Tables 7

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Sample	R_s/Ω	R_s error（%）	R_ct/Ω	R_ct error（%）	W_o⁃R/Ω	W_o⁃R error（%）	Chi⁃Sqr
COF⁃1（before cycling）	5.911	1.1473	194.40	0.9510	310.8	2.1149	0.0013080
COF⁃1（after 100 cycles）	5.632	1.8446	45.29	1.9304	118.3	1.5071	0.0010187
COF⁃2（before cycling）	3.745	1.6566	272.20	1.5468	374.3	0.8623	0.0015989
COF⁃2（after 100 cycles）	3.548	1.9051	42.64	3.2078	173.8	1.2520	0.0027306

Sample	R_s/Ω	R_s error（%）	R_ct/Ω	R_ct error（%）	W_o⁃R/Ω	W_o⁃R error（%）	Chi⁃Sqr
COF⁃1（before cycling）	5.911	1.1473	194.40	0.9510	310.8	2.1149	0.0013080
COF⁃1（after 100 cycles）	5.632	1.8446	45.29	1.9304	118.3	1.5071	0.0010187
COF⁃2（before cycling）	3.745	1.6566	272.20	1.5468	374.3	0.8623	0.0015989
COF⁃2（after 100 cycles）	3.548	1.9051	42.64	3.2078	173.8	1.2520	0.0027306

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