交替序列聚合物链促进共价有机骨架中Li+传输

更安全、充电更快的电池

现代电子设备和电动汽车都依赖锂离子电池，但当今电池内部易燃的液体在受损或过热时可能会着火。用固体材料替代这种液体的固态电池承诺提供更高的安全性和更快的充电速度，然而许多原型仍然使锂离子移动得太慢。本文描述了一种新型固体材料，它能够让锂离子快速且清洁地流动，为实现更安全、寿命长且能快速充电的电池铺平道路。

为离子构建更好的通道

这项工作的核心是一类被称为共价有机骨架（COFs）的固体材料。它们是由碳、氮、氧等轻元素构成的刚性、像海绵一样的晶体，内部充满微小且规则排列的孔洞。由于其结构可以精确设计，COFs作为电池电解质具有吸引力。然而，在早期版本中，这些孔道本质上是空的通道：它们无法很好地引导锂离子，阴离子自由游动，整体离子流动性平平。作者着手重新设计这些孔道的内壁，使锂离子看到的是一条连续、标识明确的高速公路，而不是崎岖的山路。

微小孔道内的交替链

研究人员通过将两种短聚合物片段以交替序列穿入孔道，构建出一种新的COF，称为PF–COF。一种片段类似常见的聚合物（聚乙烯氧化物），能够与锂离子很好结合并帮助其从位点跳迁；另一种是富含氟的片段，强烈吸电子并在高电压下稳定材料。将这两种片段沿孔壁交替排列，团队设计出重复出现的亲锂位点与吸电子位点的模式，重塑了孔内的电荷分布。计算机模拟和光谱学表明，这种模式打散了锂盐的团聚，使锂离子分布更均匀，降低了它们与负离子紧密配对的倾向。

允许锂通过并阻滞阴离子

测量显示，PF–COF作为固体在常温下对锂离子的导电性异常良好，电导率在10⁻³西门子/厘米以上。同样重要的是，几乎所有电流都由锂离子携带，而不是由伴随的阴离子携带：锂的“传输数”达到0.9，这一数值通常只在专门的单离子导体中见到。其原因在于氟化片段赋予孔壁整体偏正的特性，将带负电的阴离子固定在原位。锂离子则被含氧片段所吸引和引导，沿着从孔的一端到另一端的连续位点链移动。其结果是一个既加快锂运动又减少其他离子造成能量损失的固体电解质。

稳定的界面与更长的电池寿命

除了孔内的离子流动，新材料还改善了固体与金属锂电极接触处的行为。在简易的锂对锂测试电池中，PF–COF电解质支持锂平滑地镀覆与剥离超过7,500小时且电压变化很小，显微图像显示金属表面平整且很少出现针状“枝晶”。详细分析表明，该电解质有助于形成一层富含氟化锂和氧化锂的薄而坚固的保护层，稳定了界面并阻止危险的枝晶生长。在与高能量镍富集正极（NCM811）配对的完整电池中，这种固体电解质在数百个循环中表现出高容量和出色的稳定性，即使在非常高的充放电速率下也能维持异常强的性能，而许多其他固态体系在此类条件下会迅速衰减。

这对未来电池意味着什么

通过在多孔晶体的内壁上精心装饰交替序列的短链，作者将COFs转变为对锂离子高度选择性的高速通道。这一设计既加速了离子运动，又保护了电池的内部表面，使快速充电、长寿命并与高性能正极材料兼容成为可能。对非专业读者而言，关键的信息是：聪明的纳米结构设计——而不只是新化学物质——可以使固态电池更安全、更实用，将下一代电子产品和电动汽车的能量存储向前迈出重要一步。

引用: Zhao, G., Yang, M., Zhang, Z. et al. Alternating-sequence polymer chain facilitating Li⁺ transport in covalent organic frameworks. Nat Commun 17, 2442 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70591-0

关键词: 固态锂电池, 共价有机骨架, 锂离子传输, 快速充电, 电池安全