云南大学郭洪团队Carbon Energy: 基于共价有机框架单锂离子导体可控构筑及在准固态锂金属有机电池中的应用

用固态电解质来代替液态电解液的固态锂金属电池由于具有较好的安全性和高理论容量而受到广泛关注，所以固态电解质的开发显得尤为重要。以往的工作主要集中在无机类电解质(硫化物电解质、卤化物电解质、氧化物电解质等)，然而这些固态电解质存在刚性及对空气敏感等缺点而影响电池的界面稳定性，循环和倍率性能。有机聚合物电解质具有柔性易成膜等优势而逐渐引起重视，而共价有机框架（COFs）材料是一类比较具有应用前景的单离子固态电解质的载体。因此，要深入研究活性位点数量和骨架结构对锂离子电导率，迁移数及电池性能的影响规律。

【工作简介】

近日，云南大学郭洪教授团队设计并制备出三种羧酸锂调控的COF单锂离子导体材料LiOOC-COF1，LiOOC-COF2和LiOOC-COF3。作者深入研究不同骨架结构和活性位点数量对锂离子电导率，迁移数的影响，结合理论计算的方式研究了三种材料的静电势分布，并采用DFT计算深入分析锂离子迁移路径和能垒的差异。最后组装以锂金属为负极，有机小分子环己六酮为正极，构筑的单离子导体为固态电解质的准固态电池。性能测试和理论计算结果表明单离子导体可以有效抑制锂枝晶生长，准固态电池可以解决有机小分子正极材料在电解液中的溶解。该工作在国际期刊以“COF‐based single Li⁺ solid electrolyte accelerates the ion diffusion and restrains dendrite growth in quasi‐solid‐state organic batteries”为题目发表在“Carbon Energy”。云南大学博士研究生赵根福为本文第一作者，郭洪教授为本文通讯作者。

【内容简述】

图1. 三种LiOOC-COF1，LiOOC-COF2和LiOOC-COF3单离子导体的合成过程及示意图

图2. 三种HOOC-COF1，HOOC-COF2和HOOC-COF3中间产物的PXRD及固体核磁碳谱表征

图3. HOOC-COF3和LiOOC-COF3的形貌表征

图4. 单离子导体性能研究

图5. 单离子导体在准固态锂金属有机电池中的应用

图6. DFT研究LiOOC-COF3中锂离子迁移机制

【结论】

作者将羧酸锂以共价的方式嫁接到不同骨架结构的COF上并深入研究锂离子传输性能，得出如下的结论：（1）骨架结构中有强吸电子基团会削弱锂盐中阴阳离子之间的静电相互作用，有利于锂离子解离；（2）活性位点数量的增加有利于锂离子电导率和迁移数的提高；（3）基于单离子导体的准固态锂金属电池能有效解决有机小分子正极材料在电解液中的溶解并抑制锂枝晶的生长。本工作希望为构筑高效的COF基单离子导体固态电解质的发展提供新思路。

Genfu Zhao, Zhiyuan Mei, Lingyan Duan*, Qi An, Yongxin Yang, Conghui Zhang, Xiaoping Tan*, Hong Guo*, COF‐based single Li⁺ solid electrolyte accelerates the ion diffusion and restrains dendrite growth in quasi‐solid‐state organic batteries, Carbon Energy, 2022.

https://doi.org/10.1002/cey2.248

作者简介

郭洪教授 云南大学，教授，博士生导师，博士后合作导师。云南省学术带头人，云南大学东陆学者，中国硅酸盐学会固态离子学分会理事（CSSI），国际能源与电化学科学研究院(IAOEES)理事,国际电化学会（ISE）会员，国家科技专家库在库专家。先后主持国家自然科学基金面上项目、973计划课题项目、云南省重点、教育部重点项目等20余项省部级及以上课题。主要从事电化学储能及环境催化研究。以第一作者及通讯作者在Adv. Mater., ACS Energy Lett., Energy Storage Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy., Appl. Catal. B-Environ.等学术期刊发表论文100余篇，引用超过6000次。申请及授权30于项中国发明专利。在新能源及环境化学方面具有较高国际学术影响力。

课题组常年招收二次电池关键技术及光、电催化方向师资（科研）博士后及优秀青年学者，联系邮箱：[e-mail]。