范壮军/燕友果/刘征Nature子刊：仿生COF基准固态电解质，实现常温固态钠电！

固态聚合物电解质被认为是开发实用固态钠电池最有前途的候选者之一。然而，差离子电导率和狭窄的电化学窗口阻碍了它们的进一步应用。

图1 结构设计

中国石油大学（华东）范壮军、燕友果、刘征等受细胞膜生物离子通道的启发，制备了一种具有仿生Na⁺通道的COF基准固态电解质（QSSE）膜。其中，锚定在COF内壁上的相邻羧酸基团（-COO-）形成亚纳米通道（6.7–11.6 Å），其可以离解双三氟甲磺酰基酰亚胺钠（NaTFSI）盐并促进Na⁺的选择性传输。

密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟表明，Na⁺的局域分布和快速传导机制与细胞膜的Na⁺/K⁺通道相似。此外，由于-COO-的电负性，Na⁺优先吸附在亚纳米尺寸的区域，而TFSI^–在COF通道的中心被排斥。此外，添加碳酸亚丙酯（PC）溶剂可以有效地润湿晶界，提高电解质/电极界面的相容性。

图2 COF-NaTFSI的Na⁺转运机制

由于COFs促进的亚纳米限制效应，溶剂倾向于附着在COFs的内部，这使QSSE更难氧化和分解，从而有效地增加了Na⁺传导和工作温度范围。结果，基于COF的QSSE在25 1 ± 1°C时显示1.30 × 10^–4 S cm^–1的Na⁺电导率和0.90的较大Na⁺迁移数（t_Na+），展示了其在SSBs中的实际应用潜力。

当在Na||Na₃V₂(PO₄)₃扣式电池和单层软包电池中组装和测试时，基于COF的QSSE有助于实现在25±1℃下和12-60mA g^-1电流范围内的高效循环性能。

图3 Na|QSSE|NVP/C电池性能

Bioinspired design of Na-ion conduction channels in covalent organic frameworks for quasi-solid-state sodium batteries. Nature Communications 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-38822-w