朱永平研究员、王崧研究员， Advanced Science观点：通过COF衍生亚纳米多孔界面的选择性限域构建高性能CoF2热电池正极

第一作者：徐梦帆

通讯作者：朱永平*，王崧*

单位：中国科学院过程工程研究所

近日，来自中国科学院过程工程研究所的朱永平研究员和王崧研究员团队在国际知名期刊Advanced Science上发表题为"Selective Confinement by a COF-Derived Sub-Nanoporous Interface for High-Performance CoF₂ Thermal Battery Cathodes"的研究论文。该工作提出了一种基于离子筛分概念的选择性限域策略，通过原位构筑亚纳米多孔碳界面，有效抑制了正极材料的溶解与穿梭效应，有助于热电池性能实现突破性提升。

研究团队选择TAPB-BTCA COF作为前驱体，通过碳化处理将COF孔径从1.6 nm减小到亚纳米尺度(0.54 nm)，同时提高了材料的高温稳定性。通过精确控制碳化温度(700°C)，获得了具有高比表面积(699  m² g^-1))和窄孔径分布的CSC700材料，该材料能够在保持原始COF形貌的同时生成丰富的亚纳米孔。

采用"plum pudding@shell"结构设计，使CSC不仅覆盖在CoF₂纳米棒外表面，还填充了CoF₂纳米棒之间的间隙。通过调节CSC含量(11-27wt.%)，优化了限域效果与锂离子扩散阻力之间的平衡。透射电镜分析证实了CoF₂@CSC700-24复合材料的核壳结构，其中~200nm厚的碳壳包裹着CoF₂颗粒。

CoF₂@CSC700复合材料作为热电池正极表现出卓越的电化学性能。CoF₂@CSC700-24在100 mA cm^-2电流密度下实现了超过2.5 V的放电平台、365mAh g^-1的高比容量和882 Wh kg^-1的比能量，比合成的和商业的CoF₂正极材料分别提高了49.2%和101.8%。即使在300和500 mA cm^-2的大电流密度下，仍能保持2.45 V和2.39 V的放电平台，展示了良好的高倍率放电耐受性。

机理研究表明，CoF₂在熔盐电解质中通过阴离子交换反应转化为CoCl₄^2-复合离子(直径约0.8nm)，这是导致活性物质溶解和穿梭的主要原因。CSC界面凭借其0.54nm的精确孔径，能够有效限制CoCl₄^2-的迁移，同时允许锂离子自由通过。场发射扫描电子显微镜（FESEM）及能谱仪（EDS）面扫描分析显示，使用CoF₂@CSC700-24正极的电池中，钴在电解质富集区的含量从未包覆的CoF₂正极的18.8wt.%降至10.6wt.%，证实了CSC界面的有效限域作用。

Selective Confinement by a COF-Derived Sub-Nanoporous Interface for High-Performance CoF₂ Thermal Battery Cathodes

王崧，中国科学院“百人计划”研究员。2013年和2018年毕业于浙江大学化学工程与生物工程学院，获学士及博士学位。2018-2021年在浙江大学从事博士后研究，2021-2025年任新加坡-麻省理工学院科研中心（SMART）研究科学家。现任中国科学院过程工程研究所介尺度科学与工程国家重点实验室研究员，长期专注于二维共价有机框架（COF）可控聚合研究。在Matter、JACS、Nature Communications等期刊发表多篇第一/通讯作者论文，获授权专利7项（含PCT国际专利3项）。