成果展示

研究论文|COF基阻燃锂离子固态电解质
2022-08-01

来源:eScience期刊

1. 首次报道了具有重排特性的酰亚胺共价有机框架材料(COF),通过热诱导结构重排可转变成更稳定的苯并噁唑COF。

2. 该COF结构重排过程中释放CO2,作为固态电解质展现了较好的阻燃性能和高锂离子导电性能。

固态高分子电解质由于具有轻质、高柔韧性、易于加工等优点,被认为是取代易燃性液态电解质的最佳选择。然而,传统的线性高分子暴露了锂离子电导率低、热稳定性差、无法有效抑制锂枝晶生长等缺点。共价有机框架(COFs)材料相对于线性高分子具有结构有序、高孔道率、离子传输途径丰富和热力学稳定性高等优点,在提高锂离子电池放电电压、离子导电性和抑制锂枝晶生长方面表现了巨大的应用潜力。然而,目前报道的COFs主要由易燃的轻元素(H、B、C、N、O)构成,其在受热分解时释放大量可燃气体,加速材料的燃烧,不可避免的带来一些安全隐患。目前,阻燃性COFs的设计和合成仍处于探索阶段。为了制备阻燃COFs,一种可行的设计策略是在COFs结构中修饰阻燃官能团,其在受热分解时释放不可燃的CO2、N2或H2O。为了证明这一设想,作者设计合成了一种具有热重排特性的聚酰亚胺COF,其邻位含有羟基作为阻燃单元,在热重排反应中释放CO2,从而赋予了COFs阻燃性能,同时酰亚胺发生结构转变,生成苯并噁唑连接的新COF。为了证明该COFs的阻燃性能和潜在应用,作者进一步探索了其作为固态电解质在高安全锂离子电池中的应用。

南开大学张振杰研究员与爱尔兰Limerick大学 eScience顾问编委 Michael J. Zaworotko教授合作,首次将具有热重排功能的官能团(邻羟基芳香酰亚胺)作为结构连接点,设计合成了一例热响应的酰亚胺COF。如图1所示,利用均苯四甲酸酐和邻位含有羟基的三连接胺,通过脱水缩合反应制备一种聚酰亚胺型COF,并通过热诱导结构重排,将其转化为热力学更加稳定的苯并噁唑COF,并伴随着二氧化碳的释放。

图1. (a)酰亚胺转变成苯并噁唑的反应过程和机理;(b)NKCOF-11的合成过程,结构图以及TR-NKCOF-11的结构。

如图2所示,首先对热响应COF进行结构表征,通过粉末衍射数据分析结合结构模拟,证明NKCOF-11具有AA堆积的二维层状结构。高分辨HR-TEM和氮气等温吸脱附数据,进一步发现该COF具有清晰的晶格条纹和高比表面积。值得注意的是,TGA-MS分析显示该COF在加热的过程中,具有二氧化碳的失重平台,表明该COF具有热响应性能。红外光谱测试显示酰亚胺官能团明显消失,苯并噁唑基团逐渐出现,表明热诱导结构重排的成功发生。聚酰亚胺COF最终成功转变为苯并噁唑COF。

图2. NKCOF-11和TR-NKCOF-11的结构表征数据

热重排过程可释放二氧化碳,将赋予该材料阻燃性能。因此,作者团队对材料进行了燃烧试验测试。如图3所示,得益于二氧化碳的释放,NKCOF-11具有优异的阻燃性能,无法被点燃。作为对比,一系列经典的COFs(包括:硼酸酯连接的COF-1、亚胺键连接的COF-LZU1、碳碳双键连接的NKCOF-10、β-烯酮连接的TpBD、酰亚胺连接的COF 1)均可被轻易点燃。

图3. NKCOF-11和常见COFs的燃烧试验图

考虑到聚乙二醇可以很好的溶剂化锂离子并促进锂离子传输,作者团队探索了NKCOF-11对聚乙二醇的最大负载,保证聚乙醇可以充分的负载到COFs的孔道内而不是简单的吸附在COFs的表面。如图4a,b所示,DSC和PXRD测试证明50 wt%PEG-800可以获得最优负载。负载50 wt%PEG-800和LiTFSI形成的固态电解质PEG-Li@NKCOF-11具有优异的锂离子导电性能(图4c)、较低的活化能(图4d)和较高的锂离子迁移数。

图4. PEG-Li@NKCOF-11的结构表征和电化学测试。(a,b)NKCOF-11负载不同量PEG-800的DSC和PXRD测试;(c,d)PEG-Li@NKCOF-11的Nyquist图和Arrhenius图

如图5燃烧试验所示,NKCOF-11显示了优异的阻燃性能,其在火焰上放置10s仍未被点燃。PEG-Li@NKCOF-11形成的固态电解质,虽然可被点燃,但火焰较弱,燃烧9s后自动熄灭。而传统的PEO/LiTFSI容易被点燃,且火焰明亮,在燃烧结束前不发生自熄行为。该研究首次对COFs的阻燃性能进行了系统和深入研究,为锂离子电池的安全问题提供了新的解决方案。

图5.(a)NKCOF-11的阻燃能力测试;(b)PEG-Li@NKCOF-11的燃烧测试;(c)PEO/LiTFSI的燃烧测试

作者团队制备了首例热响应性COFs,该酰亚胺类COFs在高温诱导下成功的转变成更加稳定的噁唑类COFs,由于在结构转变过程中伴随着CO2的释放,该热响应性COFs具有优异的阻燃性能。利用其作为锂离子电池的固态电解质,不仅展现了优异的锂离子导电性能,同时提高了锂电池的安全性。

Thermally rearranged covalent organic framework with flame-etardancy as a high safety Li-ion solid electrolyte

Z.F. Wang, Y.S. Zhang, P.H. Zhang, D. Yan, J.J. Liu, Y. Chen, Q. Liu, P. Cheng, M. J. Zaworotko, Z.J. Zhang*

eScience 2 (2022)  311-318

DOI: 10.1016/j.esci.2022.03.004

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S266714172200026X


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