固態聚合物電解質被認為是開發實用固態鈉電池最有前途的候選者之一。然而，差離子電導率和狹窄的電化學窗口阻礙了它們的進一步應用。

圖1 結構設計

中國石油大學（華東）范壯軍、燕友果、劉征等受細胞膜生物離子通道的啟發，制備了一種具有仿生Na⁺通道的COF基準固態電解質（QSSE）膜。其中，錨定在COF內壁上的相鄰羧酸基團（-COO-）形成亞納米通道（6.7–11.6??），其可以離解雙三氟甲磺酰基酰亞胺鈉（NaTFSI）鹽并促進Na⁺的選擇性傳輸。

密度泛函理論（DFT）計算和分子動力學（MD）模擬表明，Na⁺的局域分布和快速傳導機制與細胞膜的Na⁺/K⁺通道相似。此外，由于-COO-的電負性，Na⁺優先吸附在亞納米尺寸的區域，而TFSI^–在COF通道的中心被排斥。此外，添加碳酸亞丙酯（PC）溶劑可以有效地潤濕晶界，提高電解質/電極界面的相容性。

圖2 COF-NaTFSI的Na⁺轉運機制

由于COFs促進的亞納米限制效應，溶劑傾向于附著在COFs的內部，這使QSSE更難氧化和分解，從而有效地增加了Na⁺傳導和工作溫度范圍。結果，基于COF的QSSE在25 1?±?1°C時顯示1.30?×?10^–4?S?cm^–1的Na⁺電導率和0.90的較大Na⁺遷移數（t_Na+），展示了其在SSBs中的實際應用潛力。

當在Na||Na₃V₂(PO₄)₃扣式電池和單層軟包電池中組裝和測試時，基于COF的QSSE有助于實現在25±1℃下和12-60mA g^-1電流范圍內的高效循環性能。

圖3 Na|QSSE|NVP/C電池性能

Bioinspired design of Na-ion conduction channels in covalent organic frameworks for quasi-solid-state sodium batteries. Nature Communications 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-38822-w