▲第一作者：博士研究生趙根福
近日，雲南大學郭洪教授團隊設計並製備出三種羧酸鋰調控的COF單鋰離子導體材料LiOOC-COF1，LiOOC-COF2和LiOOC-COF3。作者深入研究不同骨架結構和活性位點數量對鋰離子電導率，遷移數的影響，結合理論計算的方式研究了三種材料的靜電勢分布，並採用DFT計算深入分析鋰離子遷移路徑和能壘的差異。最後組裝以鋰金屬為負極，有機小分子環己六酮為正極，構築的單離子導體為固態電解質的准固態電池。性能測試和理論計算結果表明單離子導體可以有效抑制鋰枝晶生長，准固態電池可以解決有機小分子正極材料在電解液中的溶解。該工作在國際期刊以「COF‐based single Li+ solid electrolyte accelerates the ion diffusion and restrains dendrite growth in quasi‐solid‐state organic batteries」為題目發表在「Carbon Energy」。
用固態電解質來代替液態電解液的固態鋰金屬電池由於具有較好的安全性和高理論容量而受到廣泛關注，所以固態電解質的開發顯得尤為重要。以往的工作主要集中在無機類電解質(硫化物電解質、鹵化物電解質、氧化物電解質等)，然而這些固態電解質存在剛性及對空氣敏感等缺點而影響電池的界面穩定性，循環和倍率性能。有機聚合物電解質具有柔性易成膜等優勢而逐漸引起重視，而共價有機框架（COFs）材料是一類比較具有應用前景的單離子固態電解質的載體。因此，要深入研究活性位點數量和骨架結構對鋰離子電導率，遷移數及電池性能的影響規律。
①通過研究不同的骨架結構發現：結構中有強吸電子基團會削弱鋰鹽中陰陽離子之間的靜電相互作用，有利於鋰離子解離；②活性位點數量的增加有利於鋰離子電導率和遷移數的提高；③基於單離子導體的准固態鋰金屬電池能有效解決有機小分子正極材料在電解液中的溶解並抑制鋰枝晶的生長。
▲圖1.三種LiOOC-COF1，LiOOC-COF2和LiOOC-COF3單離子導體的合成過程及示意圖
▲圖2.三種HOOC-COF1，HOOC-COF2和HOOC-COF3中間產物的PXRD及固體核磁碳譜表徵
▲圖3.HOOC-COF3和LiOOC-COF3的形貌表徵
▲圖6.DFT研究LiOOC-COF3中鋰離子遷移機制
總之，我們將羧酸鋰以共價的方式嫁接到不同骨架結構的COF上並深入研究鋰離子傳輸性能，得出如下的結論：（1）骨架結構中有強吸電子基團會削弱鋰鹽中陰陽離子之間的靜電相互作用，有利於鋰離子解離；（2）活性位點數量的增加有利於鋰離子電導率和遷移數的提高；（3）基於單離子導體的准固態鋰金屬電池能有效解決有機小分子正極材料在電解液中的溶解並抑制鋰枝晶的生長。本工作希望為構築高效的COF基單離子導體固態電解質的發展提供新思路。郭洪教授：雲南大學，教授，博士生導師，博士後合作導師。雲南省學術帶頭人，雲南大學東陸學者，中國硅酸鹽學會固態離子學分會理事（CSSI），國際能源與電化學科學研究院(IAOEES)理事,國際電化學會（ISE）會員，國家科技專家庫在庫專家。先後主持國家自然科學基金面上項目、973計劃課題項目、雲南省重點、教育部重點項目等20餘項省部級及以上課題。主要從事電化學儲能及環境催化研究。以第一作者及通訊作者在Adv. Mater., ACS Energy Lett., Energy Storage Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy., Appl. Catal. B-Environ.等學術期刊發表論文100餘篇，引用超過6000次。申請及授權30於項中國發明專利。在新能源及環境化學方面具有較高的國際學術影響力。課題組常年招收二次電池關鍵技術及光、電催化方向師資（科研）博士後及優秀青年學者，聯繫郵箱：guohong@ynu.edu.cn。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.248
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