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鋰（Li）金屬具有極高的理論比容量和低電化學(xué)電位，被廣泛用作高能量密度電池的負(fù)極材料。鋰枝晶的不可控生長(zhǎng)和循環(huán)充放電過程中活性鋰的持續(xù)消耗，導(dǎo)致鋰金屬電池庫(kù)侖效率低、循環(huán)壽命短。在鋰負(fù)極上構(gòu)建人工固態(tài)電解質(zhì)中間相，是抑制鋰枝晶形成并提高循環(huán)性能的策略。三維共價(jià)有機(jī)框架具有沿3D方向延伸的框架，避免了層間π-π堆疊相互作用。而由于親鋰基團(tuán)的多樣性和密度不足，電池表現(xiàn)出較差的動(dòng)力學(xué)性能。因此，構(gòu)建具有致密親鋰基團(tuán)的三維共價(jià)有機(jī)框架以實(shí)現(xiàn)均勻的鋰吸附和沉積仍是挑戰(zhàn)，或?yàn)樽非蟾咝阅茕嚱饘匐姵靥峁┬滤悸贰?/p>

中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院研究員曾高峰和副研究員徐慶等，開發(fā)了新型三維共價(jià)有機(jī)框架作為鋰金屬電池的負(fù)極保護(hù)層。這一框架具有高密度的鋰親和位點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的鋰沉積行為調(diào)控。相關(guān)研究成果以Three‐dimensional Covalent Organic Framework with Dense Lithiophilic Sites as Protective Layer to Enable High‐Performance Lithium Metal Battery為題，發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。

該研究通過[6+4]合成策略，利用6連接的環(huán)三磷腈衍生物醛和4連接的卟啉基四苯基胺合成了新型磷腈三維共價(jià)有機(jī)框架。結(jié)構(gòu)中的磷腈環(huán)和卟啉環(huán)作為電子豐富和親鋰位點(diǎn)，提高了三維方向上均勻的Li⁺通量，實(shí)現(xiàn)了高度平滑和致密的Li沉積。該電極涂層提高了Li/Por-PN-COF-Cu電池的庫(kù)侖效率，促進(jìn)了快速的Li⁺傳輸，使LiFePO₄全電池即使在5 C的嚴(yán)苛速率下也能夠穩(wěn)定進(jìn)行剝離/沉積過程。理論計(jì)算揭示了Li⁺與COF之間的強(qiáng)相互作用，利于Li⁺脫溶劑化，加快其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；同時(shí)，較低遷移勢(shì)能表明Li⁺離子與π電子系統(tǒng)之間存在有利的相互作用。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院等的支持。

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科學(xué)家發(fā)展出新型三維共價(jià)有機(jī)框架?助力實(shí)現(xiàn)高性能鋰金屬電池