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构建供体-受体连接的COF电解质以调节电子密度并加速准固态电池中的Li+迁移

期刊:Nano-Micro LettersDOI:10.1007/s40820-024-01509-y

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的学术报告:

本研究的主要作者包括Genfu Zhao、Hang Ma、Conghui Zhang、Yongxin Yang、Shuyuan Yu、Haiye Zhu、Yongjiang Sun和Hong Guo。研究由云南大学材料与能源学院、云南省先进能源材料国际联合研究中心、云南云天化股份有限公司研发中心以及西南联合研究生院的研究人员共同完成。研究于2025年发表在期刊《Nano-Micro Letters》上,文章标题为“Constructing Donor–Acceptor-Linked COFs Electrolytes to Regulate Electron Density and Accelerate the Li+ Migration in Quasi-Solid-State Battery”。

研究的学术背景主要涉及固态锂金属电池(Solid-State Li Metal Batteries, SSLMBs)领域。固态电解质(Solid-State Electrolyte, SSE)在提高电池能量密度和安全性方面具有巨大潜力,但其低离子电导率和锂离子选择性传输问题限制了其应用。锂离子(Li+)作为电子缺陷物种,容易与阴离子(如TFSI−)形成强配位,导致离子电导率低和选择性差。为了解决这些问题,研究团队提出了通过供体-受体(Donor–Acceptor, D–A)系统调控固态电解质的电子密度,从而实现高效锂离子传输的新策略。研究的目标是开发一种基于共价有机框架(Covalent Organic Frameworks, COFs)的固态电解质,通过D–A相互作用调控电子密度,促进锂离子的选择性迁移,并抑制锂枝晶的生长。

研究的工作流程主要包括以下几个步骤:首先,研究团队设计并合成了三种不同电子受体(C、N、F基配体)的COFs材料,分别命名为C-COF、N-COF和F-COF。合成过程中,研究人员将供体四(对氨基苯基)卟啉(TAPP)与不同电子受体配体通过亚胺键连接,形成具有周期性结构和一维离子通道的COFs材料。其次,研究团队制备了基于这些COFs的准固态电解质膜,并通过电化学阻抗谱(EIS)等方法测试了其离子电导率和锂离子迁移数。接着,研究人员通过原位表征、密度泛函理论(DFT)计算和飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)等手段,详细研究了锂离子在D–A电解质系统中的快速迁移机制。最后,研究团队组装了锂金属对称电池和锂/磷酸铁锂(LiFePO4)全电池,评估了这些电解质在实际电池中的电化学性能。

研究的主要结果包括:首先,F-COF电解质表现出优异的锂离子传输性能,其锂离子迁移数达到0.83,离子电导率为6.7×10−4 S cm−1,远高于C-COF和N-COF。其次,DFT计算表明,F-COF中的强电负性F原子能够有效促进电子从供体卟啉向受体配体的转移,从而增强锂离子的动力学性能。此外,F-COF电解质在锂金属对称电池中表现出优异的循环稳定性,能够在1000小时内保持稳定的电压滞后。在Li/LiFePO4全电池中,F-COF电解质在5C倍率下循环300次后,容量保持率高达90.8%。这些结果证明了D–A相互作用在调控锂离子传输和抑制锂枝晶生长方面的重要作用。

研究的结论是,通过D–A系统调控COFs电解质的电子密度,可以有效促进锂离子的选择性传输,并抑制锂枝晶的形成。F-COF电解质由于其强电负性F原子的存在,表现出优异的锂离子传输性能和电化学稳定性。这一研究为开发高性能固态锂金属电池提供了新的思路,具有重要的科学价值和应用前景。

本研究的亮点包括:首先,研究首次将D–A相互作用引入COFs电解质的设计中,实现了电子密度的精确调控。其次,F-COF电解质表现出极高的锂离子迁移数和离子电导率,显著优于其他COFs电解质。此外,研究通过多种原位表征和理论计算手段,深入揭示了锂离子在D–A电解质系统中的快速迁移机制。这些创新性成果为固态锂金属电池的发展提供了重要的理论和实验依据。

本研究通过D–A系统调控COFs电解质的电子密度,成功开发了一种高性能固态电解质,为固态锂金属电池的应用提供了新的解决方案。研究不仅具有重要的科学意义,还为未来高能量密度、高安全性电池的开发奠定了坚实的基础。

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