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  高能量密度、高安全性和超快充電能力的協同提升，對推動電動汽車和便攜式能源器件發展至關重要。鋰金屬陽極擁有高達3860 mAh g^-1的理論比容量，遠超現有石墨陽極，展現出巨大的應用潛力。然而鋰負極的高反應活性會引發嚴重副反應和不可控的鋰枝晶生長，帶來重大安全隱患。凝膠聚合物電解質通過將電解液封裝在聚合物網絡中，有效提升了準固態鋰金屬電池的安全性。但其鋰離子傳輸效率有限，實現超快充電仍面臨挑戰。當前體系受限于緩慢的離子遷移動力學，這引發了嚴重的副反應與鋰的不均勻沉積，導致其充放電速率通常難以超過2C。因此，如何在實現5C快充的同時仍保持≥70%的初始容量和穩定的循環性能，已成為開發下一代快充準固態鋰金屬電池的核心挑戰。

  近日，東華大學材料科學與工程學院、先進纖維材料全國重點實驗室廖耀祖/呂偉團隊聯合西安交通大學王嘉楠教授報道了一種咪唑陽離子COF納米纖維骨架基凝膠電解質 (ICOFNS-GPE)，具有平衡脫溶和解離的雙重能力。這種“平衡設計”有利于快速均勻的Li⁺傳輸，實現了準固態鋰金屬電池的安全超快充電。該研究包含兩個關鍵策略：（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。實驗結果表明，ICOFNS-GPE展現出卓越的電化學性能：離子電導率高達1.95 mS cm^-1，鋰離子遷移數提升至0.74，活化能低至7.48 kJ mol^-1。Li||NCM811全電池表現出優異的倍率性能和循環穩定性，在5C高倍率下循環300次后仍保持83.2%的初始容量。本研究為構建具有多功能位點通道的復合凝膠電解質提出了戰略性設計方案，推動了快速充電準固態鋰金屬電池的發展。

圖1 Li⁺的傳輸機制說明

  通過優化動力學路徑，成功解決了小溶劑化殼與易解離性之間常見的權衡問題（圖1）。多級孔結構產生協同效應：ICOF中的介孔則起到錨定陰離子實現鋰離子選擇性有序傳輸的作用，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合成炔基COF-[C≡CH]，然后通過炔基與疊氮化物之間的點擊反應接枝咪唑陽離子官能團，得到ICOF（圖2）。其對陰離子具有吸附作用，可以促進鋰鹽的解離。

圖3 ICOFNS-GPE的制備與溶劑化結構表征

  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，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合凝膠電解質（ICOF-GPE），其中ICOF能優化溶劑結構，固定陰離子，降低鋰離子的傳輸阻力。

圖4 電化學表征與模擬計算

  ICOFNS-GPE體現出優異的離子電導率（1.95 mS cm^-1）和鋰離子遷移數(0.74),并且表現出更低的離子傳輸活化能（圖4）。通過DFT理論計算和MD動力學模擬，進一步闡述傳輸機理—通過框架和孔道固定陰離子來促進鋰離子的高效傳輸。

圖5 穩定陽極的性能

  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，產生大量的Li_xPF_yO_z。這導致內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，有利于進一步將Li_xPF_yO_z轉化為LiF。因此，ICOF-GPE中鋰陽極表面的LiF含量（41.2%）遠高于PP-GPE(17.8%)，這有助于形成穩定的SEI并有效抑制副反應。

圖6 電池的電化學性能

  用ICOFNS-GPE組裝的Li || NCM811電池具有更高的鋰離子擴散，更加優異的倍率性能和循環穩定性（圖6）。在5 C的高倍率下循環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。

  東華大學材料科學與工程學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廖耀祖教授、呂偉副研究員和西安交通大學王嘉楠教授。相關成果近期以“Nanofiber-Architected Imidazole COF Enabling Ultrafast Desolvation-Dissociation Kinetics in Quasi-Solid-State Lithium Metal Batteries”為題發表在Advanced Functional Materials上。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、上海市關鍵技術研發計劃、上海市優秀學術帶頭人計劃、教育部長江學者獎勵計劃、上海市自然科學基金、先進纖維材料全國重點實驗室基金、中央高校基本科研業務費專項資金等資助。

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