<{配资之家}>北京科技大学范丽珍团队：修饰MOF层构建无枝晶锂金属固态电池

【研究背景】

固体聚合物电解质（SPE）具有易于加工、高柔韧性、低成本等优点，为下一代LMBs提供了广阔的前景。然而，SPE通常表现出低离子电导率和低机械强度，不能有效地抑制锂枝晶的生长。为了抑制锂枝晶的生长，通常通过引入填料来提高SPEs的机械模量和离子电导率。但是，当填料含量超过一定量时，很容易在聚合物基体中团聚，反而影响电解质的离子电导率。

【工作介绍】

近日，北京科技大学范丽珍教授研究团队通过在聚合物固体电解质Li金属负极侧修饰MOF层构建非对称电解质。通过MOF层高机械强度、构建稳定电场和调控离子均匀传输，并结合原位固化的方式有效解决电解质/电极界面问题，最终构建无枝晶锂金属固态电池。NCM/Li电池表现优异的电化学性能和高安全性。该文章发表在 。王国需为本文第一作者。

【内容介绍】

陶瓷固体电解质虽然有着高的离子电导率和机械强度，但加工难度大、成本高、界面阻抗大等问题限制了其广泛应用。聚合物固体电解质有着易加工、柔性好等优点，但存在机械强度及离子电导率低等缺陷，难以抑制锂枝晶的生长。有机-无机复合是常用的改善策略，陶瓷含量低时，机械地混合电解质机械性能无法得以明显提升，陶瓷含量高会造成电解质质量占比增加，降低电池的能量密度。因此，对于合理设计电解质结构，使电解质各组分功能最优化，对解决固态电池存在问题有着重要意义。MOF作为一种新兴的材料由于其孔结构及表面官能团丰富、比表面积大近年来受到人们广泛关注，已经相关报道证实MOF具有一定的离子传输调控能力。因此，采用原位固化的方式在简化制备流程的基础上，利用修饰高强度的MOF层调控离子传输和抑制锂枝晶的生长，在有效降低填料使用的量的同时解决界面接触问题。

图1非对称膜的制备及表征。（a）PI-ZIF8非对称基底的制备；（b）PI-ZIF8薄膜与改性和未改性ZIF-8层的光学照片比较；PI薄膜（c）未修饰和（d）修饰ZIF-8层的SEM图；（e，f）PI-ZIF8的横截面图和（g）相应元素EDS图。

图2. 非对称电解质构建无枝晶锂金属电池结构示意图。

图3非对称电解质性能测试。（a）PEGDA和BMA单体聚合前后的FTIR图谱；（b）不同SPE-PI-ZIF8的离子电导率随温度的变化；（c）Li/SPE2-PI/SS和Li/SPE2-PI-ZIF8/SS室温下的LSV曲线；（d）室温下Li/SPE2-PI-ZIF8/Li离子迁移数测试。

图4. 锂对称电池性能对比。（a）Li/LE/Li、Li/SPE2-PI/Li和Li/SPE2-PI-ZIF8/Li电池在0.1mAh cm-2电流密度下的循环稳定性比较。锂金属（b）在LE、（c）SPE2-PI和（d）SPE2-PI-ZIF8循环后的SEM；用（e）LE，（f）SPE2-PI和（g）SPE2-PI-ZIF8对锂/锂对称电池的锂沉积行为示意图。

图5. 全电池性能测试。（a）0.5C下的循环性能和（b）NCM/SPE2-PI/Li和NCM/SPE2-PI-ZIF8/Li电池倍率特性；（c）NCM/SPE2-PI-ZIF8/Li电池在0.5C的不同循环圈数的充放电曲线；（d）NCM/SPE2-PI/Li和NCM/SPE2-PI-ZIF8/Li电池100次循环前后的阻抗图；（e-j）NCM/SPE2-PI-ZIF8/Li电池在特定条件下，安全性能展示。

【结论】

作者提出了一个简单的策略来构建一种机械稳定纳米MOF层修饰的非对称SPE。这种不对称SPE不仅可以通过MOF层调节Li+的均匀沉积来抑制锂枝晶的生长，而且还可以通过原位聚合的方法降低电极与电解质之间的界面电阻。此外，MOF层与3D交联聚合物网络的结合可以显著改善非对称SPE的力学性能和离子导电性。所得的SPE2-PI-ZIF8在室温下具有较高的离子电导率（4.7×10-4S cm-1）和tLi+（0.68）。基于SPE2-PI-ZIF8的Li/Li对称电池在800小时的循环时间内仍保持稳定，LBMs电池100次循环后容量仍保持率高（95.6%），安全性好。SPE2-PI-ZIF8为开发具有高能量密度和优越安全性能的下一代LMB提供借鉴方法。

Guoxu Wang, He, Li‐Zhen Fan*, by Metal– for Solid‐State, ‐Free Metal . Adv. Funct. Mater., 2020, DOI:10.1002/adfm.