Mechanically Assisted Li + ‐Conduction in Crown Ether‐Covalent Organic Frameworks for Lithium Metal Batteries

材料科学 共价有机骨架 法拉第效率 锂(药物) 电解质 电化学 阴极 金属有机骨架 化学工程 共价键 离子电导率 冠醚 离子键合 金属锂 电导率 分子 金属 纳米技术 电化学窗口 离子液体 导电体 无机化学 X射线光电子能谱 电极 多孔性
作者
Muhua Gu,Jun Wu,Chen Li,Zeyu Zhang,Yurong Wu,Xiaolong Cheng,Renjie Li,Ye Tian,Ki‐Taek Bang,Rui Wang,Suleman Suleman,Yufei Yuan,Jun Huang,Dong‐Myeong Shin,Zheng‐Long Xu,Yanming Wang,Yoonseob Kim
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:38 (5): e11473-e11473 被引量:6
标识
DOI:10.1002/adma.202511473
摘要

Abstract Mechanically interlocked molecules (MIMs) enable controlled motions like rotation and shuttling, ideal for molecular machines. Heteroatom‐containing MIMs, such as crown ethers, exhibit host–guest interactions, coordinating Li + for transport. Crown ethers are integrated into nitrogen‐rich 2D covalent organic frameworks (COFs) to create a high‐performance quasi‐solid‐state electrolyte (Li + @Crown‐COF) for lithium metal batteries. This electrolyte achieves exceptional ionic conductivity (3.2 × 10 −3 S cm −1 ) and a Li + transference number (0.60) at room temperature (r.t.). The mechanically assisted Li⁺ conduction, driven by crown ether motion within the COF's porous framework, enhances ion transport and stabilizes the lithium anode, suppressing dendrite growth. Electrochemical tests show excellent cycling stability, with full cells using an LiFePO 4 cathode retaining 95% capacity after 600 cycles at 0.5C and r.t. At 60 °C and 2C, the cell maintained 85% of its initial capacity after 300 cycles, with 99.99% Coulombic efficiency. Solid‐state nuclear magnetic resonance and computational studies confirm mechanical motions and strong Li⁺ binding to COF's nitrogen and oxygen sites. This MIM‐COF design, leveraging the chemical novelty of mechanically interlocked systems, paves the way for safe, stable, and high‐energy‐density LMBs.
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