JACS: 鉀離子傳導(dǎo)新標(biāo)桿！聚電解質(zhì)界面工程賦能COF，解鎖全固態(tài)電池高效離子輸運(yùn)密碼

鉀離子電池因資源豐富、成本低廉，成為下一代儲能技術(shù)的熱門方向，但高效鉀離子傳導(dǎo)材料的匱乏一直是行業(yè)痛點(diǎn)，傳統(tǒng)材料要么導(dǎo)電性不足，要么穩(wěn)定性欠佳。近日，新加坡國立大學(xué)江東林團(tuán)隊在《Journal of the American Chemical Society》發(fā)表研究，通過聚電解質(zhì)界面工程改造共價有機(jī)框架（COF）的一維孔道，實(shí)現(xiàn)了 anhydrous條件下超高效率的鉀離子傳導(dǎo)，為全固態(tài)鉀離子電池電解質(zhì)的設(shè)計提供了革命性思路。

核心設(shè)計：孔道界面的“精準(zhǔn)賦能”

研究團(tuán)隊以高穩(wěn)定性的TPB-DMTP-COF為基底，通過調(diào)節(jié)單體DMTP與含寡聚環(huán)氧乙烷鏈的PMTP的摩爾比例，在COF六邊形孔道中構(gòu)建了密度可控的聚電解質(zhì)界面（環(huán)氧乙烷鏈數(shù)量從1條到6條）。這種設(shè)計巧妙實(shí)現(xiàn)了雙重功能：一是孔壁上的C=N鏈通過靜電作用錨定KFSI鹽的FSI?陰離子，避免離子團(tuán)聚；二是環(huán)氧乙烷鏈形成“電解質(zhì)海”，釋放鉀離子并構(gòu)建傳輸網(wǎng)絡(luò)，為鉀離子提供定向輸運(yùn)通道。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：非線性加速的傳導(dǎo)奇跡

令人驚喜的是，鉀離子導(dǎo)電性并非隨環(huán)氧乙烷鏈數(shù)量線性增長，而是呈現(xiàn)顯著的非線性指數(shù)提升。當(dāng)孔道中引入6條環(huán)氧乙烷鏈時，K?@TPB-PMTP-COF在190℃下的導(dǎo)電性達(dá)到1.4×10?3 S cm?1，是單鏈COF的38倍，遠(yuǎn)超現(xiàn)有MOF、傳統(tǒng)聚電解質(zhì)等材料（高1-3個數(shù)量級）。 DFT計算揭示了背后的核心機(jī)制：鉀離子沿COF軸向孔道的傳導(dǎo)能壘僅為0.47 eV，遠(yuǎn)低于橫向傳導(dǎo)的1.46 eV，聚電解質(zhì)界面引導(dǎo)鉀離子通過“低能壘跳躍”機(jī)制定向輸運(yùn)。此外，材料在40-190℃寬溫區(qū)穩(wěn)定工作，24小時連續(xù)運(yùn)行后導(dǎo)電性無衰減，電化學(xué)穩(wěn)定窗口可達(dá)3 V（vs K/K?），展現(xiàn)出優(yōu)異的實(shí)用性。

行業(yè)意義：全固態(tài)儲能的材料新基石

該研究的突破不僅在于實(shí)現(xiàn)了超高鉀離子傳導(dǎo)效率，更建立了“孔道界面密度-離子含量-傳導(dǎo)性能”的調(diào)控規(guī)律——通過平衡聚電解質(zhì)密度與鉀鹽含量，可最大化離子傳輸效率。這種COF基電解質(zhì)材料兼具高導(dǎo)電性、寬溫適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，完美契合全固態(tài)鉀離子電池的應(yīng)用需求，同時為其他離子（如鋰、鈉離子）傳導(dǎo)材料的設(shè)計提供了通用范式。

作為先進(jìn)膜材料領(lǐng)域的重要進(jìn)展，該工作將COF的孔道結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與聚電解質(zhì)的離子解離能力有機(jī)結(jié)合，為儲能器件的高性能化、固態(tài)化提供了關(guān)鍵材料支撐，有望推動鉀離子電池從實(shí)驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用。

doi: 10.1021/jacs.5c19643

（來源：網(wǎng)絡(luò)版權(quán)屬原作者 謹(jǐn)致謝意）