Framework Electronegativity Governs Interfacial Transport Kinetics in Lithium-Metal Batteries

化学 动力学 电负性 热力学 工作(物理) 化学工程 化学动力学 物理化学 活化能 化学反应动力学 化学物理
作者
Yao Wu,Yangyang Liu,Yuehua Chen,J P Pan,Chunli Liu,Taohong He,Mingbo Ma,Bofang Shi,Z ZHANG,Kai Xi,Honghui Yang,Zaiping Guo
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (34): 36423-36433 被引量:4
标识
DOI:10.1021/jacs.6c03844
摘要

Modulating interfacial ion transport via separator engineering is pivotal for overcoming the rate capability and cycle life limitations of lithium metal batteries (LMBs). Although polarity-tuning strategies have been widely explored, a clear physical linkage between molecular-level design and transport kinetics, particularly as quantified by Sand's time, remains unresolved, making separator optimization largely empirical. Herein, we report a systematic series of isoreticular covalent organic frameworks (COFs) that decouple pore topology from electronic effects and introduce framework electronegativity (χ) as a quantitative descriptor for ion-selective transport. By modulating χ, exemplified through progressive fluorination, a push-pull electrostatic microenvironment is established that promotes Li+ transport while repelling PF6-, thereby suppressing concentration polarization and revealing an effective scaling relationship between χ and Sand's time. Guided by this descriptor, an optimized TFCOF@PP separator increases the Li+ transference number by 73% and markedly suppresses concentration polarization, enabling stable cycling of LiFePO4 full cells at 5 C with 83.1% capacity retention after 4000 cycles. The system further demonstrates robust performance under demanding conditions, including high-voltage NCM811 cells, elevated temperatures (60 °C), and mechanical abuse. This work elucidates the physical origin linking framework electronegativity to interfacial transport kinetics, providing a rational, descriptor-based strategy for separator design to mitigate kinetic failure in metal batteries.
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