電化學(xué)雙電層電容器（EDLCs）通過在電極表面發(fā)生的快速、可逆的離子吸附進行儲能。這種非法拉第本質(zhì)的物理吸附過程可以產(chǎn)生較高的輸出功率密度，但通常也會導(dǎo)致相對較低的能量密度。提升能量密度通常有兩種策略，其一，通過增加電極材料的比表面積，進而具有更多的離子吸附位點，與此同時還需要保持較高的導(dǎo)電性，但是，就目前的研究進展來說，只有少部分材料可以同時具有高導(dǎo)電性與高比表面積，比如各種類型的碳，包括石墨烯及其衍生物等。
而通過使用贗電容型的電極材料是提升能量密度的另一種有效策略，這類材料雖然通常僅具有較低的比表面積，但可以通過法拉第氧化還原過程輸出優(yōu)異的倍率性能。比如，基于表面氧化還原過程的RuO2與MnO2，贗電容機理有時也被描述為基于插層機理，比如過渡金屬氧化物（TiO2和Nb2O5）與2D層狀材料（如Ti3C2與MoS2）。盡管其具有非多孔的內(nèi)在本質(zhì)，但這些材料可以通過在2D層間或1D通道內(nèi)部發(fā)生的快速贗電容離子插層過程，實現(xiàn)較高的能量密度與功率密度。
2D配位聚合物是一類可以提供高導(dǎo)電性的層狀結(jié)構(gòu)材料，具有成分的多樣性與優(yōu)異的物理化學(xué)特性，這類材料的2D納米片中通過擴展的π-d共軛容納π共軛有機配體與過渡金屬離子，被認為是電化學(xué)電容器電極材料的理想選擇。
最近，美國麻省理工大學(xué)Mircea Dinca教授團隊在國際頂級學(xué)術(shù)期刊 J. Am. Chem. Soc 上發(fā)表題目為： High-Capacitance Pseudocapacitors from Li+ Ion Intercalation in Nonporous, Electrically Conductive 2D Coordination Polymers的研究論文，報道了一種新型的非多孔的配位聚合物，Ni3(benzenehexathiolate)，Ni3BHT，表現(xiàn)出超過500 S/m的導(dǎo)電性。當其作為電化學(xué)電容器的電極時，在非水系電解液中，可以輸出245F/g和426 F/cm3的比電容。
圖1.Ni3BHT的模擬結(jié)構(gòu)、XRD圖譜、掃描電鏡圖像與導(dǎo)電性測試。
圖2.Ni3BHT在三電極體系中的電化學(xué)性能測試與分析。
圖3. Ni3BHT儲存不同電解液離子時的電化學(xué)性能。
圖4. Ni3BHT與Ni3HITP2的核磁共振波譜。
圖5. 基于Ni3BHT與多孔活性炭組裝的非對稱電化學(xué)電容器的CV圖像與充放電曲線。
研究表明，盡管非孔的配位聚合物缺少孔隙，但可以作為一種高性能電化學(xué)電容器的理想電極材料。作為這類材料的第一種，Ni3BHT在較高還原電位1.7 V的條件下可以輸出245 F/g的比電容。電化學(xué)分析可證明Ni3BHT材料的贗電容插層機理。這是這類非多孔配位聚合物首次被用于插層型電極，超越無機材料。該工作開辟了2D配位聚合物在電化學(xué)電容器中的應(yīng)用，具有極大的化學(xué)和結(jié)構(gòu)可控性，豐富了無機材料在該領(lǐng)域中應(yīng)用。
文獻鏈接：
https://dx.doi.org/10.1021/jacs.0c10849
