【Nat. Comm】Tp-SO3H复合聚合物电解质增强钠电池离子传输和稳定性

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摘要
南方科技大学曾林、魏磊老师联合清华大学李宝华教授团队、深圳技术大学张国彬老师团队Nature Communications发表的研究中，针对钠固态电池快充和长循环的瓶颈，开发了一种共价有机框架/聚(丙烯酸钠-co-氟化乙烯)(COF/PNSE)复合电解质。该电解质通过协同结构与化学调控，利用定向纳米多孔COF提供连续Na⁺传输路径并机械增强基体，30℃下离子电导率达1.2 mS cm⁻¹。对称钠电池稳定运行6750小时，全电池及Ah级软包电池均展现出卓越的快充与长循环性能。

研究背景
1. 行业问题：
钠固态电池（SSSBs）因高安全性和低成本成为下一代储能的理想选择。然而，Na⁺较大的离子半径导致离子传输动力学缓慢，严重限制快充能力；同时，金属负极界面处不受控制的钠枝晶生长极易引发短路，阻碍了其实际应用。
2. 现有方案：
聚合物电解质因柔性好、易加工被广泛研究，但传统聚合物（如PEO）存在室温离子电导率低、机械强度不足以抑制枝晶等缺陷，难以兼顾快速离子传输与稳定的电极-电解质界面。
3. 本文创新：
提出引入共价有机框架（COF）增强聚合物电解质（PNSE）的策略。通过定向纳米多孔COF构建连续Na⁺传输通道，同时利用其刚性骨架机械增强聚合物基体，并结合化学调控优化界面SEI膜，一举解决离子传输慢与枝晶生长两大痛点。

实验部分
1. 复合电解质制备与组装：
将含有磺酸基团的COF材料Tp-SO3H与聚(丙烯酸钠-co-氟化乙烯)PNSE复合，制备COF/PNSE复合电解质膜，并组装Na||Na对称电池及Na||Na2/3Ni1/3Mn2/3O2全电池。
2. 对称电池与全电池循环实验：
对称电池在低极化（85 mV）下稳定循环6750 h，临界电流密度达1.9 mA cm⁻²。全电池在1 A g⁻¹下比容量达82.5 mAh g⁻¹，100 mA g⁻¹循环1000次容量保持率77.2%；在4.2 V高压下循环180次保持率92.7%，1 A g⁻¹快充下循环2000次保持率83.5%。
3. Ah级软包电池测试：
组装安时级软包电池，在1 A大电流下循环488次，容量保持率高达87.3%，验证了其实际应用能力。实验突破：实现了室温下高离子电导率与极高的临界电流密度，全电池与软包电池在快充和长循环条件下均表现出突破性的容量保持率。

分析测试
1. 离子电导率测试：
电化学阻抗谱（EIS）测试表明，COF/PNSE复合电解质在30 ℃下的离子电导率高达1.2 mS cm⁻¹，显著优于纯PNSE基体，揭示了COF孔道对Na⁺快速迁移的促进作用。
2. 界面与形貌表征：
SEM与XPS分析显示，循环后的钠金属表面形成了均匀且致密的双梯度富含NaF/Na₂O的固体电解质界面（SEI）膜。该结果揭示了COF框架能有效引导Na⁺均匀沉积，抑制枝晶成核。
3. 机械与电化学稳定性测试：
拉伸测试证实COF的引入显著提高了电解质的机械强度；线性扫描伏安法（LSV）显示其具有宽电化学窗口，确保在4.2 V高压下正极界面的高度稳定。

机理分析
1. 离子迁移机理：
定向排列的纳米多孔COF提供了低势垒的连续Na⁺传输路径，其孔道内的特定化学环境降低了Na⁺的脱溶剂化能，从而大幅提升了宏观离子电导率。
2. 界面化学调控机理：
COF骨架不仅作为物理屏障机械抑制枝晶穿透，其表面的含氟和含氧官能团还参与了界面反应，原位诱导生成内层富含Na₂O、外层富含NaF的双梯度SEI膜。这种坚固且高离子电导的界面层有效均匀化了局部电场，从根本上抑制了钠枝晶的生长。

总结
1. 本文成功开发了COF/PNSE复合电解质，通过结构与化学的协同调控，实现了室温下高离子电导率和优异的机械强度。
2. 该电解质有效引导了钠的均匀沉积并构建了稳定的双梯度SEI膜，赋予了钠固态电池卓越的快充能力和超长循环寿命，为高性能固态钠电池复合电解质的设计提供了重要的理论指导与实践范例。

文章标题：Engineering ion migration and interface chemistry via covalent organic framework-enhanced polymer electrolytes for fast-charging sodium solid-state batteries
作者：Yongbiao Mu, Chen Li, Jun Huang, Xiaoqian Xu, Yichun Wang, Quanyan Man, Zhiyu Zou, Meisheng Han, Qing Zhang, Guobin Zhang, Lei Wei, Baohua Li & Lin Zeng
DOI：10.1038/s41467-026-75417-7
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-75417-7

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南方科技大学曾林、魏磊老师团队联合清华深研院李宝华老师等的Nature Commnuication 研究中，开发了COF/PNSE复合电解质，通过定向纳米多孔COF提供连续Na⁺传输路径，实现快充钠固态电池长循环与高稳定性。