香港科技大学首创机械互锁分子材料 可增强锂金属电池安全性和性能

盖世汽车讯 据外媒报道，香港科技大学（Hong Kong University of Science and Technology， HKUST）工学院（School of Engineering）的研究人员开创性地采用机械键合策略，制备出用于锂金属电池（LMB）的准固态电解质（QSSE）。这是首次将机械互锁分子（MIM）应用于共价有机框架（COF）中，可实现高性能电池运行，并利用互锁体系独特的化学性质，打造安全、稳定且高能量密度的锂金属电池。

图片来源：香港科技大学

这项研究发表在《先进材料（Advanced Materials）》期刊，论文题目为《冠醚共价有机框架中机械辅助的锂离子传导在锂金属电池中的应用（Mechanically Assisted Li+-Conduction in Crown Ether-Covalent Organic Frameworks for Lithium Metal Batteries）》。

传统的易燃液态电解质存在诸多风险，例如锂阳极不稳定、枝晶生长以及不稳定界面层的形成。固态电解质则提供了一种更安全的替代方案，其中醚类聚环氧乙烷（PEO）常用于锂离子的配位和传导。

然而，由于缠结的网络结构和不确定的路径，这些聚合物的离子电导率较低，因此需要创新的策略。机械互锁分子因其在分子梭等分子机器中的应用而闻名，但在储能领域的研究尚不充分。

冠醚是机械互锁分子中的关键大环化合物，与锂离子（Li+）形成络合物后，冠醚表现出强烈的主客体相互作用和良好的迁移性。通过将这些冠醚整合到高结晶度、多孔的共价有机框架中，研究人员便可以利用其特性实现高效的锂离子传输和阳极稳定性。

图片来源：香港科技大学

基于这一原理，在香港科技大学化学及生物工程学系Kim Yoonseob教授的领导下，研究团队设计了一种机械互锁分子-共价有机框架准固态电解质（MIM-COF QSSE）。该电解质利用了对力或配位响应的机械键。这些机械键作为功能单元，而共价有机框架则将它们的动态特性放大到宏观层面，从而推进了机械互锁分子在能源设备多孔框架中的集成。

所制备的机械互锁分子-共价有机框架准固态电解质具有优异的室温离子电导率（3.20×10⁻³Scm⁻¹）和锂离子迁移数（0.60）。计算研究揭示了冠醚的动力学和锂离子结合位点，验证了实验结果，并为未来的电解质设计提供了指导。

在实际测试中，采用该准固态电解质和磷酸铁锂（LiFePO4）复合正极的锂金属电池在室温下0.5C倍率下初始放电容量为113mAhg-1，充放电循环600次后容量保持率为95%。在60℃和2C倍率下，充放电循环300次后容量保持率为85%，库仑效率高达99.99%，充分展现了此准固态电解质在提升电池稳定性和寿命方面的潜力。

Kim Yoonseob教授指出：“我们基于已有的机械互锁分子研究，对电池中冠醚的运动进行了分析，这可以启发人们更广泛地利用互锁组分。我们的目标是进一步功能化这些大环化合物，以开发先进的电池材料。”