Arumugam团队AM：提升COF基固态电解质100倍离子导电性！

具有高Li⁺电导率、柔韧性、耐用性和稳定性的固态电解质为提高安全性和能量密度提供了一种有吸引力的解决方案。然而，满足这些严格的要求对现有的固态聚合物或陶瓷电解质提出了挑战。

德克萨斯大学奥斯汀分校Arumugam Manthiram等提出了一种电解质介导的单Li⁺导电共价有机框架(COF)，它代表了一种新型的优质固态Li⁺导体。

图1 材料表征

COF由周期性有机结构单元化学组装而成，具有高稳定性和永久性孔道，对于纳米流体离子传输具有重要意义。然而，其固态离子传导远未满足实际要求，即使是最具吸引力的SIC型COF。这是因为在固态下，紧密结合的锂离子的扩散主要发生在锂化COF的孔壁上，大孔体积（孔隙率）实际上不利于离子传导，并且它“稀释”了整体电荷载流子浓度。

将额外的锂盐渗透到COF中可以提高Li⁺浓度，但高度缔合的锂盐实际上限制了离子传导。COF中的溶剂可以使离子对解耦以加快离子传输，但这与更安全固态电池（SSB）的最初动机背道而驰。更重要的是，锂盐添加剂和小分子溶剂都不能帮助形成坚固的COF膜。

图2 固态电解质的电化学特性

鉴于此，作者首先发现了一种新型液态电解质（DMA@LiTFSI），它由溶解在二甲基丙烯酰胺(DMA)中的2 M双（三氟甲磺酰基）亚胺锂(LiTFSI)组成，进一步发现锂盐可以引发DMA溶剂的共聚，从而可构建出高延展性的聚合物电解质。

受这种转化行为的启发，作者将DMA@LiTFSI溶液包埋到LiCOF的孔中，然后进行原位聚合。研究显示，在COF通道中，柔性DMA链的官能团可以从刚性COF主链中释放出锂离子，同时解耦锂盐。因此，DMA@LiTFSI介导的COF(DLC)电解质表现出优异的固态离子电导率为1.7 × 10^-4 S cm^-1（约为其他COF的100倍），并且在室温下具有0.85的高t+。

此外，COF晶体可以制成具有高柔韧性的超薄膜，使可折叠固态电池的实际演示成为可能。结果，在典型的Li/DLC/LFP全电池中，作者在严格的折叠测试中在室温下实现了120 mAh g^-1的容量。

图3 全电池性能

Foldable Solid-state Batteries Enabled by Electrolyte Mediation in Covalent Organic Frameworks. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202201410

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