西湖大学徐宇曦JACS：COF-电解质原位凝胶化构筑高性能离子导电骨架

COF材料具有可调控的规则纳米通道，从而为离子传输提供理想的平台。但是，由于COF的合成过程与电池环境难以匹配，导致难以得到性能优异的COF电解质进而难以构筑连续离子通道、低阻抗电化学界面。

在此，西湖大学徐宇曦团队提出了一种在液态碳酸酯电解质中原位凝胶化制备COF凝胶电解质(CGEs)的方法，将COF的合成与其在电池中的应用相结合。该方法通过液体电解质的锂盐和配体间的预配位结构，产生长程互连和高度结晶的COFs骨架。通过在COFs中加入亲锂基团，开发的CGEs离子电导率比碳酸盐电解液提高了3倍，达到10.5 mS cm^-1。此外，CGEs表现出0.068 eV的低活化能，确保了高效的离子传输，同时即使在超过1800 h的长时间测试后也表现出无枝晶锂沉积。

结果显示，CGEs在Li-LiFePO₄扣式电池中表现出优异的倍率性能(在3C时可逆容量高达101 mAh g^-1, 1C=170 mAh g^-1)，软包电池在极端条件下表现出优异的可逆循环(折叠状态下0.1C可逆容量高达158 mAh g^-1)。

图1. COFs 电解质电池的传统多步法与原位凝胶法合成工艺流程

总之，该工作通过室温下在液态碳酸盐电解质中原位凝胶化COF，制备了一种具有高度结晶和互连骨架的COF电解质。具体而言，锂盐和配体之间的预配位结构促进了核的生长和低能稳态的形成。计算表明，制备的 CGEs 具有超低的锂离子活化能（0.068 eV）、超快的离子传导速度（10.5 mS cm^-1）、可逆的锂金属沉积行为，以及超越相应液态电解质的电化学电池性能。因此，该工作成功合成了一种多价离子凝胶电解质（钠离子、钾离子、镁离子、锌离子、钙离子），证明了原位凝胶COF 电解质在学术界和工业界应用于高性能电池的潜力。

图2. MD模拟

In Situ Gelled Covalent Organic Frameworks Electrolyte with Long-Range Interconnected Skeletons for Superior Ionic Conductivity, Journal of the American Chemical Society 2023 DOI: 10.1021/jacs.3c10312

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