文章信息蜂窝状共价有机框架调控界面离子传输助力
锂金属电池第一作者：陈雨翾、何杰、李孟俊通讯作者：李兆槐、李宇煜、解明、卜凡兴单位：江汉大学、上海大学
研究背景
锂金属电池的商业化应用深受锂枝晶问题的制约。现有研究多聚焦于调控锂离子在界面的传输，却普遍忽视了另一个关键速率限制步骤：锂离子在抵达电极表面前的“脱溶剂化”过程。这种离子传输动力学与
电化学反应动力学之间的失配，是导致高倍率下电池失效的根本原因之一。因此，本研究旨在突破传统界面设计的局限，构建一种能够协同促进脱溶剂化与离子快速传输的新型多功能界面。
文章简介
近日，来自江汉大学李兆槐、李宇煜、解明联合上海大学卜凡兴，在国际著名期刊Advanced Materials上发表题为“Regulation of Interfacial Ion Transport via Honeycomb-Architected Covalent Organic Frameworks for Lithium Metal Batteries”的研究成果。
该研究开创性地通过一锅胶体组装法在
石墨烯上构建垂直排列蜂窝状共价有机框架(HCCOF-GO)，为锂金属电池中的界面工程二维异质结构建立了新范式。该结构通过界面π-π共轭作用保持1.15 nm六方孔道的同时，整合了石墨烯的电子传输优势。作为人工固体电解质界面时展现出三重功能：i)亲锂纳米孔实现无枝晶锂离子传输(迁移势垒0.29 eV)，ii)极化界面调控阴离子-溶剂配位，iii)梯度有机-无机SEI形成。改性负极实现了创纪录的锂离子迁移数(0.96)，兼具超长循环寿命(3000 h以上)和低极化电压(13 mV)。全电池与软包电池的优异电化学性能验证了实用潜力：HCCOF-GO@Li‖NCM811全电池在4.5 mAh cm-2实用化面容量下循环100次容量保持率达81.1%，软包电池(368 Wh kg-1)循环40次容量保持率82.3%，HCCOF-GO@Li‖LCO电池在4.7 V高电压下循环500次仍保持80.3%容量。
图1.HCCOF-GO的成功构建与结构特性验证
图2.HCCOF-GO改性锂金属负极的界面层结构与性质表征
图3.HCCOF-GO@Cu与
铜电极上的锂沉积形貌对比及均匀沉积机理
图4.HCCOF-GO界面实现的高效稳定锂金属电池及其实用化验证
图5.HCCOF-GO界面稳定性的多尺度表征与机理揭秘
本文要点
要点一：HCCOF-GO材料的合成路径与结构表征
通过表面活性剂模板辅助的胶体组装策略，在石墨烯基底上实现了蜂窝状共价有机框架的垂直取向生长，成功构建了HCCOF-GO
复合材料。扫描/透射电子显微镜图像证实了材料具有周期性的六方孔道阵列，EDS面扫描分析显示了C、N、O元素在复合材料中的均匀分布。X射线衍射谱图与“AA”堆叠模型的模拟结果高度一致，确认了其晶体结构，并揭示出其中心对称通道直径为11.51 Å，该尺寸可有效阻隔溶剂化锂离子而允许脱溶剂化锂离子通过。傅里叶变换红外光谱和固态13C核磁共振分析共同验证了-C=N-键等关键连接单元的成功形成与π共轭框架的完好保留。这些结果表明，HCCOF-GO被成功合成，其精确可控的垂直孔道结构为实现高效的界面离子传输与筛分功能奠定了基础。
要点二：HCCOF-GO修饰的人工界面层结构与理化性质
通过溶液浇铸法在锂金属负极表面构建了HCCOF-GO人工界面层。扫描电子显微镜图像显示该界面层厚度均匀(3.21 ± 0.1 μm)且覆盖完整。飞行时间二次离子质谱深度剖析证实了原位聚合的人工界面层保护锂金属界面稳定性的同时，不会消耗活性锂。接触角测试显示HCCOF-GO@Li对
电解液浸润性显著改善(15.6° vs 27.1° )，原子力显微镜测量进一步表明其表面粗糙度仅为12.3 nm，杨氏模量达4.59 GPa，远高于抑制锂枝晶所需的力学阈值。这些结果表明，HCCOF-GO界面层在结构均匀性、电解液亲和性与机械强度方面均表现出优异特性，为锂金属负极的长期稳定循环提供了关键保障。
要点三：HCCOF-GO调控锂沉积形貌与界面稳定机制
恒电流沉积测试表明，裸铜电极上锂枝晶严重生长，而HCCOF-GO@Cu则实现了从初始4.55 μm颗粒到最终15.87 μm致密锂层的渐进致密化，厚度较未修饰电极降低34.0%。扫描电子显微镜图像清晰展示了这一形貌演变过程。该均匀沉积行为源于三重协同机制：1，1.15 nm蜂窝状纳米通道通过几何限域作用强制锂离子完全脱溶剂化;2，极性C=N结构通过静电作用锚定阴离子，降低成核势垒并均匀化锂离子通量;3，电极-电解质界面调控促进形成梯度有机-无机SEI层。这些结果表明，HCCOF-GO界面工程成功建立了不受晶格失配影响的锂沉积新模式，为安全锂金属负极的设计提供了有效策略。
要点四：HCCOF-GO修饰的锂金属负极电化学性能与全电池验证
塔菲尔测试表明HCCOF-GO@Li的交换电流密度提升至0.50 mA cm⁻²，为锂的4.5倍，根据阿伦尼乌斯方程线性拟合分析显示其活化能降低10.9%，此外，锂离子迁移数高达0.96。Li||Li对称电池测试中，HCCOF-GO@Li在10 mA cm⁻²下实现超过3000小时的稳定循环。Li||Cu半电池测试显示其平均库伦效率达99.36%，成核过电位降低至14 mV。全电池测试进一步验证了其普适性：HCCOF-GO@Li‖NCM811电池在4.5 mAh cm⁻²高负载下循环100次容量保持81.1%，HCCOF-GO@Li‖LCO电池在4.7 V高压下循环500次容量保持80.3%。最终组装的软包电池能量密度达368 Wh kg⁻¹，展示了其从基础界面调控到实用化器件集成的全面优势。
要点五：HCCOF-GO修饰的锂金属负极电化学性能与全电池验证
XPS分析表明HCCOF-GO@Li电极表面以−CF₃和−NSO₂CF₃为主，随刻蚀深度增加，LiF、LiNₓOy等无机组分逐渐占主导，形成了外层有机主导、内层无机富集的梯度SEI结构。TOF-SIMS三维重构进一步证实了LiF/Li₃N的均匀分布及−NSO₂CF₃的表面局域化特征，表明HCCOF-GO有效阻隔了溶剂分子与锂金属的直接接触。分子动力学模拟进一步表明，HCCOF-GO可通过主客体作用富集TFSI⁻并排出溶剂分子，重构出以阴离子为主的配位环境，从而同步促进锂离子高效传输与界面LiF富集。理论计算表明Li⁺在COF框架中可通过层内通道与层间路径进行迁移，对应的能垒分别为0.29 eV与0.37 eV，分别较传统石墨负极和LiF-ASEI降低26–42%和49–60%。这些结果从实验与理论层面共同揭示了HCCOF-GO在调控溶剂化结构、引导界面组分梯度分布与实现超快离子传输方面的多功能协同机制，为设计高性能锂金属电池界面提供了深入的理论依据。
总结
本工作成功开发了胶体工程法制备的氧化石墨烯支撑蜂窝状共价有机框架材料作为多功能人工固体电解质界面。该界面通过π-共轭结构建立的内建电场实现了阴离子的化学锚定，有效维持了初级溶剂化结构。所构建的HCCOF-GO界面创造了0.96的创纪录锂离子迁移数，在对称电池中实现了10 mA cm⁻²电流密度下超过3000小时的超长循环寿命。在全电池应用中，该界面工程使高
镍NCM811电池在4.5 mAh cm⁻²高负载下循环100次后容量保持率达81.1%，LCO电池在4.7 V高压下循环500次后仍保持80.3%容量。最终组装的多层软包电池能量密度达到368 Wh kg⁻¹，40次循环后容量保持82.3%。本研究通过精准调控溶剂化结构，建立了新一代电池界面设计的材料模板，为解决锂金属电池中枝晶生长与电解质分解的共性问题提供了有效方案。
文章链接
“Regulation of Interfacial Ion Transport via Honeycomb-Architected Covalent Organic Frameworks for Lithium Metal Batteries”https://doi.org/10.1002/adma.202512997
通讯作者简介
李煜宇：武汉市“武汉英才”优秀青年人才，武汉市“五一劳动奖章”获得者。李煜宇在粉体原子层沉积(ALD)包覆技术在锂/
钠离子电池中的应用研究中取得了一系列进展，在Adv. Mater., Nat. Comm., Angew. Chem., Adv. Sci.、Small Methods等国际知名期刊上发表相关论文40余篇，获批发明专利7项，主持国家重点研发计划颠覆性技术创新重点专项子课题、国家自然科学基金青年基金等各级项目4项。李煜宇利用基于ALD的精准纳米薄膜包覆掺杂对锂离子电池和钠离子电池
关键材料进行修饰改性并进行产业放大，已在华为、
宁德时代、容百等大型企业得到应用，作为重要参与人的成果获得湖北省科技进步二等奖等省部级、全国一级学会和国家级行业协会科技进步奖10项。
卜凡兴: 上海大学文信学院副研究员，文化遗产保护基础科学研究院副院长，长期从事介孔材料、二维材料和新型低聚物材料的设计合成和功能应用开发研究。师从复旦大学赵东元院士，入选Journal of Materials Chemistry A 新锐科学家，担任carbon neutralization青年编委。先后主持中国博士后科学基金特等资助等科研项目多项，参与国家自然科学基金和国际合作项目多项。共发表SCI论文50余篇，其中以第一作者和通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., ACS Nano 等期刊上发表论文20余篇，同时申请发明专利20余项。
解明：国家海外高层次人才特聘教授、湖北省特聘专家、国务院重点华侨华人创业团队带头人。先后在美国能源部阿贡国家实验室、科罗拉多大学、新能源国家实验室、江汉大学，主要从事微纳颗粒表界面原子层级制造技术和纳米纤维
隔膜的研究与应用。目前，解明教授在国际知名杂志上发表论文50余篇，参与/主持工信部、科技部和省级多项颠覆性重点研发计划、重大专项，研究经费近4000万元。牵头建立《原子层沉积粉体包覆设备》团体标准和《超级电容器纸》行业标准。获授权发明专利57项。获得省部级科技奖一等奖2项、二等奖8项，其他创新创业类奖项20余项。创办的公司融资超过1亿元，估值4.5亿元。
李兆槐：湖北省高层次人才，主要从事下一代锂金属电池、全固态
锂电池电化学体系研究。李兆槐目前以第一/通讯作者身份在Adv. Mater., Nat. Comm., Angew. Chem., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., 等国际知名期刊发表论文10余篇，获国家授权发明专利7项。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划颠覆性技术创新重点专项子课题、国家工业与信息化部高质量发展专项、宁波市揭榜挂帅产学研等多项国家、省部级课题项目，研究经费逾900万元。产学研科技成果转化的“纳米纤维隔膜”
新材料获湖北省科学技术科技进步二等奖，获中国生产力促进中心协会创新发展一等奖、中国化工学会科学技术二等奖等国家行业协会科技奖8项。
第一作者简介
本论文的第一作者为江汉大学光电材料与技术学院的硕士研究生陈雨翾。主要研究方向为锂金属负极界面改性，已发表SCI论文2篇，获得受理专利4项，获“中国国际大学生创新大赛(2024)”产业赛道全国银奖。
免责声明：本文内容来源自“科学材料站”，如需转载请联系我们。如涉及作品内容、版权和其它问题，请来电或致函告之，我们将及时给予处理!
206
0 
我感兴趣
四川 - 宜宾
2025年10月31日 ~ 11月02日
