Angew. Chem. :通过侧链工程实现高加工性COF凝胶电解质用于锂离子电池

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发展高能量密度、高安全性的储能器件是实现风能、太能能等可再生能源到实际应用的核心保障。其中,锂离子电池由于能量密度高、循环性能好,受到各国政府及科研机构的重视。


然而,传统的锂电池由于使用易燃易爆的液态电解质,导致许多安全隐患。用固态或凝胶态的电解质替代传统的液态电解质,被视为是提高锂电池安全性能的有效途径。传统的凝胶电解质一般由无序的高分子聚合物组成,但是,传统聚合物凝胶电解质由于结构的无序性,使其结构的精确调控和剖析结构与性能之间构效关系困难重重。


共价有机框架 (COFs)作为一类高度有序的晶态聚合物,其在晶体工程中独特的自组装特性有助于精确控制结构和功能。然而,COFs材料通常是高度交联的结晶粉末,不溶不熔且难以加工,限制了其在许多领域的实际应用。如何提高COFs材料的可加工性是COFs领域的一大挑战。因此,COFs材料的凝胶化将有助于探究结构和性能间的关系,拓宽COF材料应用领域。


近日,南京理工大学张根教授课题组发展了一种自下而上的侧链工程策略,实现了COFs材料的凝胶化,从而从根本上提高了晶态材料的可加工性。该方法利用支链烷基侧链作为内部增塑剂,通过合理设计不同长度支链烷基侧链的单体,有效调节了COFs材料从固态到凝胶态的转化,使COFs材料由传统的粉末态转换为独特的凝胶态。同时,研究了COFs凝胶结构与性能之间的关系。并探索了COFs凝胶电解质在锂离子电池中的应用。


该工作设计了三种基于酰肼具有不同长度的支链烷基侧链的单体(C4、C8、C16),与均三苯甲醛反应。结果表明,COF-C8 表现出准凝胶态,而COF-C16 表现出特异的凝胶态。相反,具有短支链的COF-C4显示出典型的粉末状态。

鉴于室温下COF凝胶制备的便捷性和可加工性,在准固态锂离子电池系统中探索和评估了COF-C16作为凝胶电解质的可能性。混合液倒入培养皿中静置5小时后,形成COF凝胶,其外观完整光滑,且可以根据后续应用中的各种需要切割成所需的形状。本文详细介绍了COF凝胶电解质的制备过程和形成机理。

最终,探索了COF凝胶在锂离子电池中的应用,凝胶电解质在磷酸铁锂全电池体系中表现出较好的循环性,且可以点亮LED小灯泡。该工作通过精准设计,对COF形态进行调控,拓宽了COF的应用领域。

论文信息:

Highly Processable Covalent Organic Framework Gel Electrolyte Enabled by Side-Chain Engineering for Lithium-Ion Batteries

Ziya Liu,Dr. Kun Zhang,Dr. Guoji Huang,Dr. Bingqing Xu,Dr. You-lee Hong,Dr. Xiaowei Wu,Dr. Yusuke Nishiyama,Prof. Satoshi Horike,Prof. Gen Zhang,Prof. Susumu Kitagawa


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202110695


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