分子工程化IL@UiO-66纳米填料解锁PEO电解质中锂离子快速传输：优化策略与DFT机制解析

本研究开发了基于聚环氧乙烷(PEO)的复合聚合物电解质(CPE)，通过分子工程设计的离子液体(IL)@UiO-66纳米填料显著提升锂离子电导率至1.02×10-3 S cm-1（60°C）。结合DFT计算揭示了IL@MOF通过调控PEO链段运动与Li+-O配位促进离子传输的双重机制，为固态锂电池电解质设计提供新思路。

　　

Highlight

本研究报道了基于聚环氧乙烷(PEO)的复合聚合物电解质系统，通过引入分子工程设计的IL@UiO-66纳米填料显著增强锂离子传导性。在筛选的多种离子液体-金属有机框架(IL@MOF)组合中，[BMIM][TFSI]@UiO-66在60°C下实现了1.02×10^-3 S cm^-1的最高离子电导率。

Methodology

采用溶剂热法合成UiO-66，通过湿法浸渍将离子液体(IL)负载到MOF孔道中。聚合物电解质通过溶液浇铸法制备，使用电化学阻抗谱(EIS)在0.1 Hz至2 MHz频率范围测量离子电导率。密度泛函理论(DFT)计算采用ORCA程序，使用B3LYP泛函结合def2-SVP基组进行几何优化和电子结构分析。

Warburg Diffusion of Composite Polymer Electrolyte

图1a展示了从EIS实验获得的奈奎斯特图。该图谱以极坐标形式呈现阻抗的实部与虚部关系，高频区位于图谱左侧。CPE表现出压扁的半圆弧和倾斜的尾线，可用恒相位元件(CPE)模型拟合，其特征参数揭示了界面电荷转移与扩散过程的协同作用。

Conclusion

本研究开发的PEO/LiTFSI/IL@UiO-66复合电解质中，[BMIM][TFSI]@UiO-66使离子电导率从基准体系的1.10×10^-6 S cm^-1显著提升至1.02×10^-3 S cm^-1（60°C）。通过系统优化LiTFSI含量(0.5 g)、IL负载量(53 wt%)和IL@MOF添加量(0.07 g)，实现了结晶度降低和链段运动增强。DFT计算阐明IL@UiO-66通过调节Li⁺-O相互作用恢复PEO链的三齿配位构型，同时[TFSI]^-阴离子通过氢键与聚合物骨架作用，促进离子解离和迁移。研究提出结合IL辅助跳跃和PEO链动力学的双相传导机制，为高性能固态电解质设计提供了分子层面的指导。