传统共价有机框架(COF)基固态电解质具有可定制的离子传导行为,但通常以粉末形式存在,需要进一步的物理压铸才能用作固体电解质片,这大大阻碍了COF材料的大规模生产及其在新能源领域的广泛应用。为了解决这一问题,南京理工大学张根教授课题组提出了一种普适的静电纺丝策略,用于制备大面积自支撑COF膜(COM)。这种策略的优势在于将刚性COF骨架与柔性亲锂聚乙二醇(PEG)链结合,从而形成一个离子传导网络,并通过COF孔道实现锂离子的定向传输。
研究表明,利用该方法制备的PEG-COM电解质在30°C时展示出高达0.153 mS/cm的离子电导率,同时具备优异的枝晶抑制能力。固态7Li NMR实验证实,PEG-COM电解质中Li⁺传导性能的改善归因于其结构中的松散离子配对和更高比例的游离Li⁺产生。这些局部微环境的变化促进了锂离子在COM孔隙中的定向移动。 除此之外,DFT计算结果显示,Li⁺从孔道方向进行跳跃传输所需的能量更低,表明其倾向于从COM孔道方向迁移,而非层间迁移。 另外,PEG-COMs电解质组装的固态Li|Li、Li|LFP和软包电池在60 °C时表现出良好的稳定性和优异的电化学性能。由于均匀分布的亲锂位点和连续的Li⁺传输路径,带有PEG-COMs电解质的固态锂金属电池组件在灵活性、循环稳定性和安全性方面均表现卓越。 总之,这项研究提供了一种通用的方法用于大规模制备大面积自支撑COM电解质,拓宽了COF在能源存储领域,尤其是固态锂金属电池中的应用前景,为开发更加环保、更薄、更安全的柔性固态锂金属电池提供了重要技术支持。 论文信息 Fabrication of Scalable Covalent Organic Framework Membrane-based Electrolytes for Solid-State Lithium Metal Batteries Tongtong Liu, Yuan Zhong, Zhiwei Yan, Boying He, Tao Liu, Zhiyi Ling, Bocong Li, Xin Liu, Jialiang Zhu, Lingyi Jiang, Xiangyu Gao, Prof. Rongchun Zhang, Prof. Jianrui Zhang, Dr. Bingqing Xu, Prof. Gen Zhang 文章的第一作者是南京理工大学的博士研究生刘彤彤和钟原。通讯作者为南京理工大学张根教授和许冰清副教授。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202411535