锂金属电池因为具有超高的理论比容量和极低的氧化还原电位在储能领域得到了广泛研究。然而，不可控的锂枝晶生长和易碎的固体电解质界面相(SEI)严重限制了其实际应用。在锂金属负极表面合理的设计一层SEI膜能够有效的解决这些问题。共价有机骨架(COF)与其他材料相比具有独特的结构灵活性、永久孔隙性和优异的物理化学稳定性等优点是构建SEI膜较为理想的材料，因此，在锂金属负极表面构建COF人工SEI膜可以起到抑制锂枝晶生长的作用。其中sp2c-COF表现出了显著的优势在抑制锂枝晶方面。因为其高导电性能够降低界面阻抗促进电荷传输，规则的一维通道和全共轭结构能够促进Li+的迁移，强的电负性特点有助于Li+的去溶剂化。因此，通过在锂金属负极表面构建sp2c-COF人工SEI膜来抑制锂枝晶是一个值得关注的方法。近日，云南大学材料与能源学院郭洪教授团队构建了一种sp2碳连接的共价有机框架作为人工固体电解质界面以提高界面稳定性和抑制锂枝晶生长。与其他共价有机框架相比sp2c-COF具有高的导电性能够降低界面阻抗，促进电荷传输。此外，sp2c-COF的电负性特性可以排斥大阴离子(TFSI-)，有助于促进Li+的均匀沉积，缓解锂金属与电解液之间的副反应。因此，sp2c-COF修饰的锂金属电池具有优异的电化学性能。相关研究成果以“2D sp2-Carbon-Linked Covalent Organic Frameworks as Artificial SEI Film for Dendrite-Free Lithium Metal Batteries”为题发表于国际知名期刊Science China Materials，云南大学硕士张从辉为论文第一作者，郭洪教授为本文通讯作者。图1. sp2c-COF的结构设计及锂离子沉积示意图。图2. sp2c-COF和Py-COF的分子结构及相关的XRD、红外、比表面积图谱。图3. sp2c-COF的SEM, TEM图和相应的EDS元素映射。图4. 三种不同负极组装的对称电池在不同电流密度下的电压分布图和原位光学显微镜观察锂沉积过程图。
图6. 三种不同负极组装的锂铜电池和磷酸铁锂电池的电化学性能表征图。图7. 锂离子与溶剂分子、TFSI-和COF材料的结合能以及在两种COF材料中的迁移能。作者构筑了sp2c-COF并研究了其用作锂金属负极表面的人工固体电解质界面相抑制锂枝晶生长的机理，得出了以下结论：（1）高导电性可以降低界面阻抗，促进电荷传输，降低Li+的迁移能垒。（2）sp2c-COF的电负性特性可以排斥大阴离子(TFSI-)，有助于促进Li+的均匀沉积，缓解锂金属与电解液之间的副反应。（3）sp2c-COF人工SEI膜有效的抑制了锂枝晶的生长增强了界面稳定性。本工作希望为构建COF固体电解质界面相的发展提供新思路。Conghui Zhang, Yongxin Yang, Yongjiang Sun*, Lingyan Duan, Zhiyuan Mei, Qi An, Qi Jing, Genfu Zhao and Hong Guo*, 2D sp2-carbon-linked covalent organic frameworks as artificial SEI film for dendrite-free lithium metal batteries, Science China Materials, 2023https://doi.org/10.1007/s40843-022-2396-x
郭洪教授：云南大学，教授，博导，国际科学组织Vebleo协会Fellow，全球学者库 “全球顶尖科学家”，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。主持完成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Angew Chem Int Edit., Adv. Mater., Mater. Today, ACS Energy Lett., Adv. Funct. Mater.等学术期刊发表论文150余篇，引用超过7000次，申请及授权30余项中国发明专利。
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：guohong@ynu.edu.cn。