日前，四虎影视 、无机合成与制备化学国家重点实验室、未来科学国际合作联合实验室徐吉静教授团队在固态锂电池领域取得重要进展，该研究成果以“An integrated solid-state lithium-oxygen battery with highly stable anionic covalent organic frameworks electrolyte”为题发表于《Chem》上（Chem, 2022, DOI:10.1016/j.chempr.2022.09.027）。吉林大学鼎新学者王晓雪博士为论文第一作者，徐吉静教授为论文通讯作者。

固态锂电池由于采用固态电解质替代了传统有机电解液，有望从根本上解决电池安全性问题的同时，进一步提升电池的能量密度和循环寿命，符合未来高安全性、高能量密度锂电池发展的方向。特别是固态锂氧气电池在现有的电池体系中具有最高的理论能量密度，有望在下一代储能设备中发挥重要作用。目前用于固态锂氧气电池的固态电解质主要分为固态聚合物电解质和固态无机电解质两类。聚合物电解质虽然具有较好的柔性，容易构建固-固界面，但其室温离子电导率低，导致电池的倍率性能和功率密度都较低。而无机固态电解质（石榴石、钙钛矿、钠离子快导体、硫化物、分子筛等）具有高离子导电性，但其较高的刚性导致固-固界面构建困难。因此，迫切需要为固态锂氧气电池寻求一种同时具有高离子电导率、高界面相容性和高化学稳定性的新型固态电解质。

该课题组通过快速、环境友好的微波辅助法成功制备了具有高离子电导率、低反应活化能和高化学/电化学稳定性的CD-COF-Li固态电解质，并揭示了锂离子在材料孔道内的传输机制。该COF固态电解质由于具有丰富的离子传输通道、独特的骨架柔性和较短的界面传输阻抗，展现出高达2.7×10⁻³S cm⁻¹的离子传导率和优异的电化学稳定性。并且，利用COF的骨架柔性，成功构建了同时具有电子、离子和氧气分子连续传输通道的一体化正极材料。得益于电解质-电极低阻抗传输界面，使用COF电解质组装的全固态锂氧气电池展现出9340 mAh g⁻¹的高比容量和100次的长循环寿命，远优于基于典型聚合物电解质PEO和无机固态电解质LAGP的固态锂氧气电池（38次和50次）。同时，COF电解质组装的全固态锂金属电池也展现出优异的倍率性能和循环性能。其在2C的电流密度下，放电比容量依然可以达到125.1 mAh g⁻¹。以上研究结果展示了COFs作为新型锂离子导体在下一代固态储能器件中巨大的应用潜力，为未来固态电解质材料设计和固态电池技术发展提供了新思路。

图：a) CD-COF-Li、LAGP和PEO的电子电导率和离子电导率值；b-c)有限元模拟；d)扫描电镜图片；e)固态正极的设计原理图；f)放电容量测试；g)循环寿命测试。

这一研究工作得到了中共中央组织部、国家自然科学基金委员会、吉林省科技厅、长春市科技局、南通市政府和吉林大学相关项目的支持。

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课题组介绍：

课题组成立以来一直从事多孔储能材料与二次电池方面的研究，特别是在固态电池和金属空气电池领域取得多项重大原创性成果。课题组现有博士后1名、博士10名、硕士9名。针对固态电池和金属空气电池目前面临的关键科学和技术难题，本课题组主要致力于：（1）针对传统锂电池中有机电解液漏液、分解、易燃的问题，通过分子孔道结构和阳离子排布的设计与精准调控，创制出基于分子筛、COF、MOF、HOF等多孔材料的新型固态电解质，揭示了离子输运机制，发展了无机固态电解质新种类，构筑了兼具高能量密度和高安全性的全固态锂电池（Nature,2021,592, 551–557、Chem2022, DOI:10.1016/j.chempr.2022.09.027、Matter2022, DOI:10.1016/j.matt.2022.10.013、Adv. Funct. Mater.,2022,32, 2113235、ACS Nano,2022,16, 12364−12376）；（2）针对金属空气电池正极反应动力学缓慢的问题，在国际上率先提出了光、热、磁等能量场提升电池反应动力学的新策略，并制备了外场辅助的新型催化正极材料，建立了外场增强反应动力学新机制，构筑了超高能量转换效率（>99%）和超低温条件下运行的外场辅助金属空气电池器件，初步验证了其在智能器件和特殊环境中的应用前景（Angew. Chem. Int. Ed.,2020,59, 19518、Adv. Mater.,2020,32, 1907098、J. Am. Chem. Soc.,2021,143, 14253、Adv. Mater.,2022,34, 2104792、Adv. Mater.,2022,34, 2107826）；（3）针对空气正极稳定性差的问题，提出了“全金属空气正极”的新概念，可控制备了系列高稳定性非碳质正极材料，提升了正极的化学稳定性和催化活性，构建了理想的正极催化表面模型，揭示了电池中反应物质的可逆催化转化机制（Nat. Commun.,2020,11, 2191、Adv. Mater.,2020,32, 2002559、Adv. Energy Mater.,2022, 2103097、ACS Nano.,2020,14, 3281）。

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