北京理工大学，北京科技大学，ESM观点：提出一种“软”“硬”材料结合的策略，原位构筑复合聚合物电解质，实现固态钾有机电池长循环

第一作者：李宗佑

通讯作者：于琪瑶*，张建国*，王伟*

单位：北京理工大学，北京科技大学

锂资源的稀缺和大幅增加的需求将显著提高锂离子电池（LIBs）的价格，最终限制了LIBs的商业可行性，相比之下，钠/钾金属成本低，其电池体系可使用廉价的集流体。与钠相比，钾的标准电极电位(-2.93 V vs. SHE)更接近于锂(-3.04 V vs. SHE)，这保证了钾离子电池（PIBs）具有更高的工作电压。同时，钾离子在碳负极材料中的扩散速度快，商用石墨可直接用作PIBs的负极，因此PIBs表现了更好的商业价值。大多数报道的PIBs使用有机液体电解质(LE)，存在严重的安全问题，如枝晶生长和可燃性。此外，PIBs的周期稳定性较差，这阻碍了它们的商业应用。电解质作为电池的重要组成部分，对电池的电化学性能有着重要的影响。设计和开发合适的电解质是实现高性能PIBs的重要途径。使用固体电解质代替液体电解质不仅可以提高电池的安全性，还可以延长电池的循环寿命。并且与液态电解质相比，电池组件更容易操作，因此可以降低电池的制造成本和技术门槛。这使得固态钾离子电池受到了研究者的广泛关注。

近日，来自北京理工大学的张建国教授、于琪瑶副教授与北京科技大学的王伟教授合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“In situ bridging soft polymer and robust metal-organic frameworks as electrolyte for long-cycling solid-state potassium-organic batteries”的研究文章。该文章报道了一种由原位桥连柔软聚合物和坚固UiO-66组成的固态复合聚合物电解质(CPE)的策略，用于固态有机钾电池(SSPOB)，实现了钾有机电池长循环稳定性。

本文中，我们报道了一种由原位桥接柔软聚合物和坚硬MOF材料组成的固态复合聚合物电解质(CPE)发设计策略。在这种复合结构中，UiO-66通过原位光聚合聚乙氧基化三甲基丙烷三丙烯酸酯(ETPTA)单体，锚定在三维(3D)聚偏氟乙烯-共六氟丙烯(PVDF-HFP)网络框架中。PVDF-HFP提供一个柔软的3D框架，可以同时容纳poly (ETPTA)和UiO-66。该复合电解质可以增强电解质的机械强度和化学稳定性，形成稳定的离子迁移通道，同时也抑制钾枝晶的生长，UiO-66内部丰富的通道允许K⁺的转移，同时限制了PF6−的转移，提高了离子转移数。此外，UiO-66纳米颗粒的加入可以增加聚合物的无序度，从而增加聚合物运动段的活性空间，提高离子电导率。

为了进一步评价复合聚合物电解质在SSPOB中的性能，利用复合聚合物电解质组装的固态钾有机电池。复合电解质可以将电解液固定在聚合物内部，大大降低了有机正极材料溶解到电解质中的可能性，同时与金属钾之间保持良好的界面稳定性，减少了电池中副反应的发生，实现了稳定的离子转移。PTCDA|CPE-S|K电池在循环500次后容量保持率仍能达到60.0%，可以看出，表现出令人满意的长循环稳定性，具有一定的商业化潜力。

In situ bridging soft polymer and robust metal-organic frameworks as electrolyte for long-cycling solid-state potassium-organic batteries

张建国教授简介：北京理工大学机电学院教授，副院长，博士生导师。研究方向为能源材料的设计、制备及应用。主持国家重大专项、国家自然科学基金等项目10余项，发表论文300余篇，出版专著1部、译著3部，授权发明专利56件，获部级科学技术二等奖、三等奖各2项，兵工学会青年科技奖。教育部兵器类专业虛拟教研室带头人、虚仿实验教学联盟兵器类专业工作委员会主任委员，兼任中国兵工学会火工烟火专委会副主任委员、火炸药专委会委员，中国化学会热分析专委会、高压化学专委会委员。担任Central European Journal of Energetic Materials、Defence Technology、Energetic Materials Frontiers等期刊编委。获国家教学教学成果二等奖，北京市教学名师奖，北京市教育教学成果特等奖、一等奖、二等奖各1项。

于琪瑶，北京理工大学机电学院副教授，博士生导师。近年来围绕军用特种电源电极材料的可控制备、电子/离子界面和活性材料体相传质规律、离子嵌入脱嵌过程电化学反应机理、柔性电极制造的材料、结构、能量一体化泛在集能科学技术等领域进行了深入研究，取得了若干原创性成果，迄今已在国际著名学术期刊发表SCI论文66篇，7篇ESI高被引论文，其中以第一/通讯作者身份在Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.等期刊发表学术论文43篇（一区论文33篇，其中26篇影响因子＞10）。

王伟，北京科技大学教授/博士生导师。北京科技大学-英国剑桥大学联合培养博士，先后为北京大学博雅博士后、美国哈佛大学博士后、北京航空航天大学教授、北京科技大学教授，主要从事二次离子电池电极材料、固态电解质和低碳冶金电化学等研究，是较早系统开展铝离子电池和钠/钾离子电池方向的研究者之一。主持国家级、省部级和企业项目等10余项。已发表SCI论文140余篇，以第一/通讯作者身份在Nat. Commun.， Adv. Mater.，Angew. Chem.， Energy Environ. Sci.等发表SCI论文80余篇，SCI引用12000余次，授权中国发明专利20余项。入选北京市科技新星，河北省产业创新创业团队负责人，小米青年学者，第三届发明创业奖成果奖一等奖，北京航空航天大学青年拔尖人才。

李宗佑，北京理工大学博士研究生，研究方向为储能材料的设计、制备及应用。主要从事固态碱金属离子电池的设计与开发。

团队致力于高安全储能电池的研究，在能源材料可控制备、微纳结构解析、机理探究和电池器件制造等方面具有坚实的研究基础，积累了丰富的研究经验，发表过多篇高水平论文，承担过多项相关国家重大项目，进行了长期深入的探索，具有深厚的理论科学基础研究和较强的军工应用融合能力。团队所在的爆炸科学与安全防护全国重点实验室具有良好的研究基础和完善的研究分析平台，在电化学、材料制备、电池制造与测试等方面具有良好的实验条件和丰富的经验积累，拥有多个材料工程学、物理化学分析测试和电化学研究分析平台，现拥有真空手套箱、真空干燥箱、气相沉积管式炉、电化学工作站、恒流充放电测试仪、X射线衍射分析仪、数值分析及计算相关软件、电极和电池组装系列相关设备以及材料制备所需的多种设备等。