Molecular Engineering of Dual–Ion Regulated Covalent Organic Frameworks for Dendrite Suppression in Solid–State Lithium Metal Batteries

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作者
Ningrui Zhan,Haitao Zhang,Yue Wang,XingTao Qi,Fang Wang,Zhenyu Yang,Jikuan Qiu,Nikhil Koratkar
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.6c02697
摘要

Poly(ethylene oxide) (PEO) solid electrolytes offer processability, flexibility and low–cost, yet their poor ionic conductivity and limited dendrite suppression capability impedes practical applications. Despite advances in Li+ transport kinetics, performance degradation persists due to space–charge polarization induced by uncontrolled anion migration. Here, we present a covalent organic framework (COF) for synchronous cation and anion regulation. By integrating lithiophilic methoxy groups and anionophilic imidazolium species into a single framework, this ionic COF (ICOF) enables synergistic ion management in PEO electrolytes. Ordered channels with fast–hopping sites facilitate rapid Li+ conduction, while cationic sites immobilize TFSI– anions, preventing anion depletion and subsequent space–charge polarization. This dual–ion regulation leads to an Li+ transference number of ∼0.72 and effective dendrite mitigation in symmetric–cells as well as full–cells with LiFePO4 and high-voltage NCM811 cathodes. By engineering COFs with spatially segregated yet functionally complementary motifs, selective anion immobilization alongside fast cation transport is achievable, potentially breaking the conventional trade-offs that have limited PEO-based lithium metal batteries.
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