科大首创机械互锁分子材料 有效提升锂电池效能及安全性

香港科技大学（科大）工学院的研究团队率先研发出一款运用机械键来制备用于锂电池的准固态电解质，首次将机械互锁分子（MIM）应用于共价有机框架（COF）中，可实现高性能电池运行，并利用互锁体系独特的化学性质，以打造出安全、稳定且电能容量更高的锂电池。

传统液态电解质存在诸多风险，包括易燃、锂负极不稳定、枝晶生长以及不稳定界面层的形成。固态电解质提供了更安全的替代方案，其中醚类聚环氧乙烷（PEO）常用于锂离子的配位和传导。然而，由于其复杂的网络结构和不明确的传输路径，这些聚合物的离子导电率一般较低，因此需要进一步优化设计。机械互锁分子已广泛应用于分子机器如分子梭等，但在储能领域的研究仍有不足。冠醚作为机械互锁分子的关键大环化合物，与锂离子结合时能展现出强烈的主客体作用和良好的离子迁移性。若能将这些互锁分子整合到高结晶度、多孔的 COF 中，研究人员便可以利用其特性实现高效的锂离子传导，并有效提高负极的稳定性。

有鉴于此，在科大化学及生物工程学系副教授金允燮教授带领下，研究团队设计了一种 MIM-COF 准固态电解质。该电解质能利用可响应力学作用或配位变化的机械键作为功能单元，而 COF 则将其动态特性放大至宏观层面，从而推进了 MIM 在能源器件多孔框架中的集成应用。

团队所制备的 MIM-COF 准固态电解质具有优异的室温离子电导率（3.20 × 10⁻³ S cm⁻¹）和锂离子迁移数（0.60）。根据电脑计算的研究发现，冠醚的动力学和 Li⁺ 结合位点，与实验结果相互印证，并为未来电解质设计提供指引。在实际测试中，采用该准固态电解质和磷酸铁锂复合正极（LiFePO₄ composite cathode）的全锂电池在室温和 0.5C 倍率下初始放电容量为 113 mAh g⁻¹，充电和放电过程循环 600 次后容量维持在 95% 左右。在 60℃ 和 2C 倍率下，循环 300 次后容量则维持在 85% 左右，库仑效率达到 99.99%，结果反映此准固态电解质在提升锂电池稳定性与寿命方面极具应用潜力。

金教授指出：「我们基于已有的 MIM 研究，对电池中自锁冠醚的运动进行了分析，可望启发更广泛的自锁组分应用。我们的目标是进一步优化这些大环化合物，以开发先进的电池材料。」

这项研究由科大、上海交通大学、香港理工大学和香港大学合作完成，已于《先进材料》期刊上发表，论文标题为「冠醚 – 共价有机框架中机械辅助的锂离子传导及其在锂金属电池中的应用」。