张根团队在共价有机框架凝胶电解质新进展

bingnuan

近日，化学化工学院张根教授团队在晶态凝胶电解质研究方面取得最新研究进展，相关研究成果以“High-Processable COF Gel Electrolyte Enabled by Side Chain Engineering for Lithium-ion Battery”为题，在国际化学顶级期刊《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）上刊发。南理工化院为该项工作的完成单位和通讯单位，博士研究生刘姿铔和博士后张坤为论文共同第一作者，张根教授和许冰清副教授为论文共同通讯作者。文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202110695
目前，商业化的锂电池由于使用易燃易爆的液态电解质，导致许多安全隐患问题。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最有效途径之一。传统的凝胶电解质一般由高分子聚合物组成，但是其结构的无序性，无法实现结构与性能精确调控。共价有机框架 (COFs)作为一类新型的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。
        南京理工大学化学与化工学院张根教授团队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，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（图1）。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。

图1. 自下而上的侧链工程策略制备COF凝胶材料

        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（图2）。本文详细介绍了COF凝胶电解质的制备过程和形成机理。

图2. COF凝胶电解质的可加工途径

图3. COF凝胶电解质组装的锂电池及性能

         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灯泡（图3）。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
         该工作获得了中组部“海外高层次引进人才”项目、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基础科研业务费、江苏省研究生科研与实践等项目以及软化学与功能材料教育部重点实验室的支持。


        文章来源：南京理工大学
       张根，南京理工大学化工学院教授、博士生导师，在兰州大学大学获得本硕博学位(王锐院士)。先后在英国曼彻斯特大学（David Leigh院士）和日本京都大学（Susumu Kitagawa教授）从事多年科学研究。“日本高度人才计划”入选者。主要研究方向为有机合成、功能有机多孔材料合成及应用研究，包括新能源方面（离子传导、锂电池），催化方面（光解水、电催化、有机催化），环境应用（水处理、气体分离）以及器件（膜器件、光电器件）。