JACS: 钾离子传导新标杆！聚电解质界面工程赋能COF，解锁全固态电池高效离子输运密码

钾离子电池因资源丰富、成本低廉，成为下一代储能技术的热门方向，但高效钾离子传导材料的匮乏一直是行业痛点，传统材料要么导电性不足，要么稳定性欠佳。近日，新加坡国立大学江东林团队在《Journal of the American Chemical Society》发表研究，通过聚电解质界面工程改造共价有机框架（COF）的一维孔道，实现了 anhydrous条件下超高效率的钾离子传导，为全固态钾离子电池电解质的设计提供了革命性思路。

核心设计：孔道界面的“精准赋能”

研究团队以高稳定性的TPB-DMTP-COF为基底，通过调节单体DMTP与含寡聚环氧乙烷链的PMTP的摩尔比例，在COF六边形孔道中构建了密度可控的聚电解质界面（环氧乙烷链数量从1条到6条）。这种设计巧妙实现了双重功能：一是孔壁上的C=N链通过静电作用锚定KFSI盐的FSI⁻阴离子，避免离子团聚；二是环氧乙烷链形成“电解质海”，释放钾离子并构建传输网络，为钾离子提供定向输运通道。

关键发现：非线性加速的传导奇迹

令人惊喜的是，钾离子导电性并非随环氧乙烷链数量线性增长，而是呈现显著的非线性指数提升。当孔道中引入6条环氧乙烷链时，K⁺@TPB-PMTP-COF在190℃下的导电性达到1.4×10⁻³ S cm⁻¹，是单链COF的38倍，远超现有MOF、传统聚电解质等材料（高1-3个数量级）。 DFT计算揭示了背后的核心机制：钾离子沿COF轴向孔道的传导能垒仅为0.47 eV，远低于横向传导的1.46 eV，聚电解质界面引导钾离子通过“低能垒跳跃”机制定向输运。此外，材料在40-190℃宽温区稳定工作，24小时连续运行后导电性无衰减，电化学稳定窗口可达3 V（vs K/K⁺），展现出优异的实用性。

行业意义：全固态储能的材料新基石

该研究的突破不仅在于实现了超高钾离子传导效率，更建立了“孔道界面密度-离子含量-传导性能”的调控规律——通过平衡聚电解质密度与钾盐含量，可最大化离子传输效率。这种COF基电解质材料兼具高导电性、宽温适应性和结构稳定性，完美契合全固态钾离子电池的应用需求，同时为其他离子（如锂、钠离子）传导材料的设计提供了通用范式。

作为先进膜材料领域的重要进展，该工作将COF的孔道结构优势与聚电解质的离子解离能力有机结合，为储能器件的高性能化、固态化提供了关键材料支撑，有望推动钾离子电池从实验室走向实际应用。

doi: 10.1021/jacs.5c19643

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