中石大范壮军/燕友果/刘征《自然通讯》：受生物膜启发的COF基准固态电解质！

固态聚合物电解质被认为是开发实用固态钠电池的最有希望的候选者之一。然而，不良的离子传导性和狭窄的电化学窗口阻碍了它们的进一步应用。

近日，中国石油大学（华东）范壮军教授、燕友果教授、刘征博士受生物膜中Na+/K+传导的启发开发了一种(-COO-)修饰的共价有机框架(COF)作为钠离子准固态电解质（QSSE）。研究显示，这种准固态电解质具有由相邻的-COO-基团和COF内壁形成的亚纳米大小的Na+传输区（6.7-11.6 Å），可使Na+能够沿着亚纳米尺寸的电负性特定区域选择性传输，从而使Na+电导率高达1.30×10–4 S cm–1，并且在25±1℃时氧化稳定性高达5.32 V（相对于Na+/Na）。此外，在Na||Na3V2(PO4)3纽扣电池配置中测试准固态电解质时，其表现出快速的反应动力学、低极化电压，以及在60 mA g-1和25±1℃下1000次循环的稳定循环性能，每循环的容量衰减为0.0048%，最终放电容量为83.5 mAh g-1。

文章要点：

1. 受细胞膜生物离子通道的启发，这项工作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-）形成了亚纳米通道（6.7-11.6 Å），可以解离双三氟甲磺酰亚胺钠（NaTFSI）盐并促进Na+的选择性传输。密度函数理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟显示，Na+的局部分布和快速传导机制与细胞膜的Na+/K+通道相似。

2. 由于-COO-的电负性，Na+优先被吸附在亚纳米大小的区域，而TFSI-在COF通道的中心被排斥。此外，加入碳酸丙烯酯（PC）溶剂可以有效地润湿晶界，改善电解液/电极界面的兼容性。由于COFs所促进的亚纳米封闭效应，溶剂倾向于附着在COFs的内部，使其更难氧化和分解QSSE，从而有效地提高了Na+的传导和工作温度范围。

3. 因此，基于COF的QSSE在25±1℃时显示出1.30×10-4 S cm-1的Na+电导率和0.90的较大的Na+转移数（tNa+），揭示了其在SSB中的实际应用潜力。

4. 当在Na||Na3V2(PO4)3纽扣电池和单层软包电池配置中组装和测试时，基于COF的QSSE实现了在25±1℃下和12-60mA g-1特定电流范围内的高效循环性能。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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