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  高能量密度、高安全性和超快充電能力的協(xié)同提升，對推動電動汽車和便攜式能源器件發(fā)展至關(guān)重要。鋰金屬陽極擁有高達(dá)3860 mAh g^-1的理論比容量，遠(yuǎn)超現(xiàn)有石墨陽極，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而鋰負(fù)極的高反應(yīng)活性會引發(fā)嚴(yán)重副反應(yīng)和不可控的鋰枝晶生長，帶來重大安全隱患。凝膠聚合物電解質(zhì)通過將電解液封裝在聚合物網(wǎng)絡(luò)中，有效提升了準(zhǔn)固態(tài)鋰金屬電池的安全性。但其鋰離子傳輸效率有限，實(shí)現(xiàn)超快充電仍面臨挑戰(zhàn)。當(dāng)前體系受限于緩慢的離子遷移動力學(xué)，這引發(fā)了嚴(yán)重的副反應(yīng)與鋰的不均勻沉積，導(dǎo)致其充放電速率通常難以超過2C。因此，如何在實(shí)現(xiàn)5C快充的同時仍保持≥70%的初始容量和穩(wěn)定的循環(huán)性能，已成為開發(fā)下一代快充準(zhǔn)固態(tài)鋰金屬電池的核心挑戰(zhàn)。

  近日，東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、先進(jìn)纖維材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廖耀祖/呂偉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西安交通大學(xué)王嘉楠教授報(bào)道了一種咪唑陽離子COF納米纖維骨架基凝膠電解質(zhì) (ICOFNS-GPE)，具有平衡脫溶和解離的雙重能力。這種“平衡設(shè)計(jì)”有利于快速均勻的Li⁺傳輸，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)固態(tài)鋰金屬電池的安全超快充電。該研究包含兩個關(guān)鍵策略：（1）ICOF中的亞胺和三唑鍵通過與鋰離子配位降低去溶劑化能壘，加速鋰離子釋放的同時減少界面阻抗；（2）ICOF中的咪唑陽離子通過強(qiáng)靜電相互作用抑制陰離子遷移，降低鋰鹽解離能壘并提升鋰離子遷移數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ICOFNS-GPE展現(xiàn)出卓越的電化學(xué)性能：離子電導(dǎo)率高達(dá)1.95 mS cm^-1，鋰離子遷移數(shù)提升至0.74，活化能低至7.48 kJ mol^-1。Li||NCM811全電池表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，在5C高倍率下循環(huán)300次后仍保持83.2%的初始容量。本研究為構(gòu)建具有多功能位點(diǎn)通道的復(fù)合凝膠電解質(zhì)提出了戰(zhàn)略性設(shè)計(jì)方案，推動了快速充電準(zhǔn)固態(tài)鋰金屬電池的發(fā)展。

圖1 Li⁺的傳輸機(jī)制說明

  通過優(yōu)化動力學(xué)路徑，成功解決了小溶劑化殼與易解離性之間常見的權(quán)衡問題（圖1）。多級孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)：ICOF中的介孔則起到錨定陰離子實(shí)現(xiàn)鋰離子選擇性有序傳輸?shù)淖饔�，納米纖維堆積形成的宏觀孔隙可儲存大量電解液為傳輸提供充足的鋰離子。

圖2 ICOF的制備與表征

  首先通過希夫堿反應(yīng)合成炔基COF-[C≡CH]，然后通過炔基與疊氮化物之間的點(diǎn)擊反應(yīng)接枝咪唑陽離子官能團(tuán)，得到ICOF（圖2）。其對陰離子具有吸附作用，可以促進(jìn)鋰鹽的解離。

圖3 ICOFNS-GPE的制備與溶劑化結(jié)構(gòu)表征

  ICOF作為功能填料，與聚丙烯腈共混，通過靜電紡絲制備ICOFNS（圖3），ICOF納米顆粒均勻地分散在納米纖維骨架內(nèi)，該方法可以方便地制備大面積納米纖維骨架。然后通過原位聚合的方法制備復(fù)合凝膠電解質(zhì)（ICOF-GPE），其中ICOF能優(yōu)化溶劑結(jié)構(gòu)，固定陰離子，降低鋰離子的傳輸阻力。

圖4 電化學(xué)表征與模擬計(jì)算

  ICOFNS-GPE體現(xiàn)出優(yōu)異的離子電導(dǎo)率（1.95 mS cm^-1）和鋰離子遷移數(shù)(0.74),并且表現(xiàn)出更低的離子傳輸活化能（圖4）。通過DFT理論計(jì)算和MD動力學(xué)模擬，進(jìn)一步闡述傳輸機(jī)理—通過框架和孔道固定陰離子來促進(jìn)鋰離子的高效傳輸。

圖5 穩(wěn)定陽極的性能

  Li⁺可以通過ICOF的有序通道被脫溶和傳輸，從而抑制Li枝晶的形成（圖5）。用ICOFNS-GPE組裝的Li || Li對稱電池在0.5 mA cm^?2的電流密度下，可以正常工作550小時以上。在GPE中，過量的陰離子參與副反應(yīng)，產(chǎn)生大量的Li_xPF_yO_z。這導(dǎo)致內(nèi)阻增加和極化電壓升高。而ICOFNS-GPE錨定PF6^?抑制其分解為LixPF_yO_z，有利于進(jìn)一步將Li_xPF_yO_z轉(zhuǎn)化為LiF。因此，ICOF-GPE中鋰陽極表面的LiF含量（41.2%）遠(yuǎn)高于PP-GPE(17.8%)，這有助于形成穩(wěn)定的SEI并有效抑制副反應(yīng)。

圖6 電池的電化學(xué)性能

  用ICOFNS-GPE組裝的Li || NCM811電池具有更高的鋰離子擴(kuò)散，更加優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性（圖6）。在5 C的高倍率下循環(huán)300圈后容量保持率為83.2%，并且組裝的軟包電池在穿刺和剪切等破壞下仍然能安全工作。

  東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生王科翔為本論文的第一作者，通訊作者為東華大學(xué)廖耀祖教授、呂偉副研究員和西安交通大學(xué)王嘉楠教授。相關(guān)成果近期以“Nanofiber-Architected Imidazole COF Enabling Ultrafast Desolvation-Dissociation Kinetics in Quasi-Solid-State Lithium Metal Batteries”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)計(jì)劃、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計(jì)劃、教育部長江學(xué)者獎勵計(jì)劃、上海市自然科學(xué)基金、先進(jìn)纖維材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金等資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202511658