南京理工大学张根/许冰清&华工张荣纯EnSM | 调控COF纳米通道电子微环境以实现锂金属电池中的快速离子传输动力学!

共价有机框架（COF）是通过有机单元以共价键方式连接而成的具有规则孔道的二维或三维的框架材料，具有比表面积大、稳定性好和低密度、结构和功能灵活可调等优点，有利于设计优良的锂离子传导通道，有望成为一类极具潜力的新型固态电解质。

在此，南京理工大学张根、许冰清，华南理工大学张荣纯等人展示了一种针对仿生双咔唑基COFs的理性电子调控策略，通过对孔壁电子密度进行精确调控以增强Li⁺传导。我们系统地定制了纳米通道的静电环境，从而优化Li⁺的亲和性与迁移能力。

实验与计算研究共同表明，缺电子框架有助于固定阴离子并促进Li⁺解离，而富电子区域则可降低离子跳跃的能垒。经优化的氟化COF膜电解质在30°C下展现出1.35 mS cm⁻¹的优异离子电导率，优于多数已报道的微孔聚合物电解质。

此外，采用该氟化COF膜电解质组装了与商用正极匹配的锂金属电池。这些电池在1 C下，分别实现了LiNi₀₈Co₀₁Mn₀₁O₂正极250次循环后95.6%的容量保持率，以及LiCoO₂正极100次循环后88.3%的容量保持率，证实了该电解质拓宽的电压窗口与延长的电化学循环寿命。本研究强调了电子结构设计在调控离子传输中的关键作用，并为开发高性能COF基聚合物电解质建立了一种普适性范式。

图1. BCTp-x (x= OMe， H， F) COF膜电解质的制备与表征

总之，该工作证明通过特定的电子调控基团对COFs进行精确的电子结构调控，可有效增强Li⁺传导。就BCTp-F COF的电子调控而言，缺电子单元促进了阴离子的固定与Li⁺的解离，而富电子区域则降低了离子跳跃的能垒。经优化并与不可燃的TEP基电解质复合的氟化BCTp-FM在30°C下展现出优异的离子电导率（1.35 mS cm⁻¹），这源于其有序的微孔结构、缩短的离子传输路径以及优化的电子分布框架。

本文采用BCTp-FM电解质组装的Li|NCM811与Li|LCO电池展现出更宽的电压窗口和延长的循环寿命，这可能归因于NCM811/LCO颗粒表面Li₃PO₄保护层的重构以及负极上富Li₃N的无机固体电解质界面的形成。本研究确立了电子结构工程作为设计高性能COF基电解质的强有力策略，并为调控储能材料中的离子传输提供了普适性方法。

图2. 电池性能

Tailoring the Electronic Microenvironment of COF Nanochannels Enable Fast Ion Transport Kinetics in Lithium Metal Batteries, Energy Storage Materials 2025 DOI: 10.1016/j.ensm.2025.104815

张荣纯 华南理工大学长聘副教授，博士生导师 华南理工大学“兴华学者人才计划“青年学者，现任Conceptsin Magnetic Resonance, Part A及Frontiers in Soft Matter期刊编委，国产磁共振旗舰期刊Magnetic Resonance Letters的客座编辑，北京理化分析测试技术学会波谱分会理事，迄今为止共发表学术论文90余篇，编著RSC英文专著一部,并受邀为J. Phys. Chem. Lett.及Macromolecules杂志撰写Perspective文章。

张根 南京理工大学教授，博士生导师 功能有机多孔材料

新型功能有机多孔材料设计、合成及应用研究，包括：

1. 新能源领域（燃料电池、固态锂电池、热电池）；

2. 催化领域（光解水制H₂，CO₂还原、电催化NRR、OER\HER）；

3. 电磁波吸收与隐身涂层（吸波材料、宽频、涂层工艺）

4. 环境领域（光降解、水处理、气体分离）；

5. 器件（膜器件、光电传感器、离子/气体/生物传感器）；

6. 生物医药（人工肾、药物分离纯化、多肽药物）

👉 点击阅读原文，立即下单！