科大首創機械互鎖分子材料 有效提升鋰電池效能及安全性

香港科技大學（科大）工學院的研究團隊率先研發出一款運用機械鍵來製備用於鋰電池的準固態電解質，首次將機械互鎖分子（MIM）應用於共價有機框架（COF）中，可實現高性能電池運行，並利用互鎖體系獨特的化學性質，以打造出安全、穩定且電能容量更高的鋰電池。

傳統液態電解質存在諸多風險，包括易燃、鋰負極不穩定、枝晶生長以及不穩定界面層的形成。固態電解質提供了更安全的替代方案，其中醚類聚環氧乙烷（PEO）常用於鋰離子的配位和傳導。然而，由於其複雜的網絡結構和不明確的傳輸路徑，這些聚合物的離子導電率一般較低，因此需要進一步優化設計。機械互鎖分子已廣泛應用於分子機器如分子梭等，但在儲能領域的研究仍有不足。冠醚作爲機械互鎖分子的關鍵大環化合物，與鋰離子結合時能展現出強烈的主客體作用和良好的離子遷移性。若能將這些互鎖分子整合到高結晶度、多孔的COF中，研究人員便可以利用其特性實現高效的鋰離子傳導，並有效提高負極的穩定性。

有見及此，在科大化學及生物工程學系副教授金允燮教授帶領下，研究團隊設計了一種MIM-COF準固態電解質。該電解質能利用可響應力學作用或配位變化的機械鍵作為功能單元，而COF則將其動態特性放大至宏觀層面，從而推進了MIM在能源器件多孔框架中的集成應用。

團隊所製備的MIM-COF準固態電解質具有優異的室溫離子電導率（3.20 × 10⁻³ S cm⁻1）和鋰離子遷移數（0.60）。根據電腦計算的研究發現，冠醚的動力學和Li⁺結合位點，與實驗結果相互印證，並爲未來電解質設計提供指引。在實際測試中，採用該準固態電解質和磷酸鐵鋰複合正極（LiFePO₄ composite cathode）的全鋰電池在室溫和0.5C倍率下初始放電容量為113 mAh g⁻¹，充電和放電過程循環600次後容量維持在95%左右。在60℃和2C倍率下，循環300次後容量則維持在85%左右，庫侖效率達到99.99%，結果反映此準固態電解質在提升鋰電池穩定性與壽命方面極具應用潛力。

金教授指出：「我們基於已有的MIM研究，對電池中自鎖冠醚的運動進行了分析，可望啟發更廣泛的自鎖組分應用。我們的目標是進一步優化這些大環化合物，以開發先進的電池材料。」

這項研究由科大、上海交通大學、香港理工大學和香港大學合作完成，已於《先進材料》期刊上發表，論文標題爲「冠醚 – 共價有機框架中機械輔助的鋰離子傳導及其在鋰金屬電池中的應用」。