固態(tài)聚合物電解質(zhì)被認(rèn)為是開發(fā)實(shí)用固態(tài)鈉電池最有前途的候選者之一。然而，差離子電導(dǎo)率和狹窄的電化學(xué)窗口阻礙了它們的進(jìn)一步應(yīng)用。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中國石油大學(xué)（華東）范壯軍、燕友果、劉征等受細(xì)胞膜生物離子通道的啟發(fā)，制備了一種具有仿生Na⁺通道的COF基準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)（QSSE）膜。其中，錨定在COF內(nèi)壁上的相鄰羧酸基團(tuán)（-COO-）形成亞納米通道（6.7–11.6??），其可以離解雙三氟甲磺酰基酰亞胺鈉（NaTFSI）鹽并促進(jìn)Na⁺的選擇性傳輸。

密度泛函理論（DFT）計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬表明，Na⁺的局域分布和快速傳導(dǎo)機(jī)制與細(xì)胞膜的Na⁺/K⁺通道相似。此外，由于-COO-的電負(fù)性，Na⁺優(yōu)先吸附在亞納米尺寸的區(qū)域，而TFSI^–在COF通道的中心被排斥。此外，添加碳酸亞丙酯（PC）溶劑可以有效地潤濕晶界，提高電解質(zhì)/電極界面的相容性。

圖2 COF-NaTFSI的Na⁺轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

由于COFs促進(jìn)的亞納米限制效應(yīng)，溶劑傾向于附著在COFs的內(nèi)部，這使QSSE更難氧化和分解，從而有效地增加了Na⁺傳導(dǎo)和工作溫度范圍。結(jié)果，基于COF的QSSE在25 1?±?1°C時(shí)顯示1.30?×?10^–4?S?cm^–1的Na⁺電導(dǎo)率和0.90的較大Na⁺遷移數(shù)（t_Na+），展示了其在SSBs中的實(shí)際應(yīng)用潛力。

當(dāng)在Na||Na₃V₂(PO₄)₃扣式電池和單層軟包電池中組裝和測(cè)試時(shí)，基于COF的QSSE有助于實(shí)現(xiàn)在25±1℃下和12-60mA g^-1電流范圍內(nèi)的高效循環(huán)性能。

圖3 Na|QSSE|NVP/C電池性能

Bioinspired design of Na-ion conduction channels in covalent organic frameworks for quasi-solid-state sodium batteries. Nature Communications 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-38822-w