據(jù)外媒報道，香港科技大學（Hong Kong University of Science and Technology， HKUST）工學院（School of Engineering）的研究人員開創(chuàng)性地采用機械鍵合策略，制備出用于鋰金屬電池（LMB）的準固態(tài)電解質(zhì)（QSSE）。這是首次將機械互鎖分子（MIM）應(yīng)用于共價有機框架（COF）中，可實現(xiàn)高性能電池運行，并利用互鎖體系獨特的化學性質(zhì)，打造安全、穩(wěn)定且高能量密度的鋰金屬電池。
圖片來源：香港科技大學
這項研究發(fā)表在《先進材料（Advanced Materials）》期刊，論文題目為《冠醚共價有機框架中機械輔助的鋰離子傳導在鋰金屬電池中的應(yīng)用（Mechanically Assisted Li+-Conduction in Crown Ether-Covalent Organic frameworks for Lithium metal Batteries）》。
傳統(tǒng)的易燃液態(tài)電解質(zhì)存在諸多風險，例如鋰陽極不穩(wěn)定、枝晶生長以及不穩(wěn)定界面層的形成。固態(tài)電解質(zhì)則提供了一種更安全的替代方案，其中醚類聚環(huán)氧乙烷（PEO）常用于鋰離子的配位和傳導。
然而，由于纏結(jié)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和不確定的路徑，這些聚合物的離子電導率較低，因此需要創(chuàng)新的策略。機械互鎖分子因其在分子梭等分子機器中的應(yīng)用而聞名，但在儲能領(lǐng)域的研究尚不充分。
冠醚是機械互鎖分子中的關(guān)鍵大環(huán)化合物，與鋰離子（Li+）形成絡(luò)合物后，冠醚表現(xiàn)出強烈的主客體相互作用和良好的遷移性。通過將這些冠醚整合到高結(jié)晶度、多孔的共價有機框架中，研究人員便可以利用其特性實現(xiàn)高效的鋰離子傳輸和陽極穩(wěn)定性。
圖片來源：香港科技大學
基于這一原理，在香港科技大學化學及生物工程學系Kim Yoonseob教授的領(lǐng)導下，研究團隊設(shè)計了一種機械互鎖分子-共價有機框架準固態(tài)電解質(zhì)（MIM-COF QSSE）。該電解質(zhì)利用了對力或配位響應(yīng)的機械鍵。這些機械鍵作為功能單元，而共價有機框架則將它們的動態(tài)特性放大到宏觀層面，從而推進了機械互鎖分子在能源設(shè)備多孔框架中的集成。
所制備的機械互鎖分子-共價有機框架準固態(tài)電解質(zhì)具有優(yōu)異的室溫離子電導率（3.20×10?3Scm?1）和鋰離子遷移數(shù)（0.60）。計算研究揭示了冠醚的動力學和鋰離子結(jié)合位點，驗證了實驗結(jié)果，并為未來的電解質(zhì)設(shè)計提供了指導。
在實際測試中，采用該準固態(tài)電解質(zhì)和磷酸鐵鋰（LiFePO4）復合正極的鋰金屬電池在室溫下0.5C倍率下初始放電容量為113mAhg-1，充放電循環(huán)600次后容量保持率為95%。在60℃和2C倍率下，充放電循環(huán)300次后容量保持率為85%，庫侖效率高達99.99%，充分展現(xiàn)了此準固態(tài)電解質(zhì)在提升電池穩(wěn)定性和壽命方面的潛力。
Kim Yoonseob教授指出：“我們基于已有的機械互鎖分子研究，對電池中冠醚的運動進行了分析，這可以啟發(fā)人們更廣泛地利用互鎖組分。我們的目標是進一步功能化這些大環(huán)化合物，以開發(fā)先進的電池材料?！?/p>
