香港科技大學的研究團隊開發出一種新型材料，有望解決鋰金屬電池的最大難題之一。這款單晶3D硼酸酯共價有機框架（COF）可用作固態電解質，提升電池的安全性和性能。鋰金屬電池被視為超越現有鋰離子電池的下一代技術，特別適用於電動車和大規模能源儲存，但長期面臨安全隱患，主要因鋰枝晶形成及不穩定介面導致電池劣化及短路。共價有機框架因其多孔及穩定結構，被探索作為電解質材料，但現有版本多為多晶結構，晶界產生阻力，限制離子傳輸效率。
團隊以COF-303為模板，構建單晶結構，具高度有序離子通道。此設計降低晶間阻力，促進鋰均勻沉積，有效抑制枝晶形成。材料有序離子路徑亦確保電解質內離子流動一致，減少熱點及不均勻反應，提升電池在實際應用下的壽命，減低重複充放電帶來的性能衰退及安全風險。
突破枝晶生長障礙
新型材料在多項關鍵指標展現優異電化學性能。室溫下離子電導率達8.1 mS cm−1，Li+傳遞數為0.98，支持快速且選擇性離子傳輸。系統穩定性亦大幅提升，對稱電池測試顯示鋰沉積及剝離穩定超過2,000小時，證明長期運作可靠並降低安全風險。在使用LiFePO4正極的完整電池配置中，經600次循環後容量保持率達91.8%，庫侖效率為99.98%，初始容量為147 mAh g−1，顯示長期一致性能。
以下為主要規格：
| 指標 | 性能數據 |
|---|---|
| 離子電導率（室溫） | 8.1 mS cm−1 |
| Li+傳遞數 | 0.98 |
| 對稱電池穩定時間 | 超過 2,000 小時 |
| 完整電池容量保持率（600循環） | 91.8% |
| 庫侖效率 | 99.98% |
| 初始容量 | 147 mAh g−1 |
此研究突顯材料層面結構控制對電池性能的直接影響，透過消除多晶框架的無序性，提升鋰金屬系統的效率及安全性。研究由上海交通大學合作進行，反映國際推動下一代電池技術的努力。Yoonseob Kim教授表示：「我們的成果突顯單晶3D B-COFs作為準固態電解質的潛力，消除多晶材料的結構缺陷，為高性能、安全能源儲存帶來重大進展，這對綠色未來至關重要。」單晶COFs或成實用固態鋰金屬電池關鍵，若成功擴大量產，可解決電池設計長期限制，尤其在需高能量密度及穩定性的電動車、電網儲存等應用。