云南大学林欣蓉课题组Chem. Commun.：一种官能化的金属有机框架复合聚合物电解质用于锂金属固态电池

近年来，锂离子电池从具有安全隐患的液态电池向安全性能更强、加工性能更好的固态电池方向发展。然而，已有固态电解质与锂负极存在界面相容性问题，难以获得稳定且均匀的锂离子界面沉积，从而对电池循环造成致命性影响，成为当前固态电解质发展的一大挑战。因此，寻找新型的选择性诱导锂离子在电极-电解质界面上均匀沉积、抑制锂枝晶生长的固态电解质尤为迫切。复合聚合物电解质有易于加工、成本低、灵活性高、面接触好等多方面优势，在锂金属固态电池应用中引起广泛关注。MOFs不仅具有多孔性、较高的比表面积，而且可以灵活地进行化学成分、孔隙结构和表面官能化，为获得高性能固态电解质材料提供了潜在机会。目前，有报道发现阳离子化的MOFs复合电解质在固定阴离子和提高锂离子迁移数中起关键作用。此外，还有基于不同金属中心的MOFs衍生材料与离子液体、电解液、聚合物等混合制备的电解质被证明可以提高离子电导率和界面性能。但利用电子效应调控MOFs及电解质的孔道大小和极性进而探究其对锂离子在电极表面沉积行为的报道很少。

近日，云南大学化学科学与工程学院林欣蓉课题组以一种负载胺官能化的全固态纳米聚合物电解质（UIO-66-NH₂@P）为研究模型，探究其在锂金属全固态电池中的电化学行为（图1）。电化学测试表明，胺官能化的全固态纳米聚合物电解质具有良好的锂电沉积稳定性。UIO-66-NH₂@P纳米聚合物电解质在0.1 mA cm^-2电流密度下剥离沉积1500小时后未出现锂离子电沉积不稳定迹象，极化电压依然保持在40 mv左右，极大地抑制了锂枝晶的生长。即便是增加电流密度到0.2 mA cm^-2，也依然具有良好的锂沉积行为。为了更好的证明其电化学性能，作者通过与纯PEO聚合物电解质和电子效应相反的纳米聚合物电解质（UIO-66-NO₂@P）进行对比，发现PEO聚合物电解质在工作65小时后就出现锂枝晶诱导的不可逆电压导致短路。带有相反电子效应的纳米聚合物电解质（UIO-66-NO₂@P）也不具有同样优异的锂电沉积稳定性。为了探究锂电沉积行为显著差异的潜在原因，作者通过扫描电子显微镜对比了循环相同圈数后的锂负极表面，发现均匀、致密的沉积层形成更稳定的界面是锂离子稳定沉积的关键因素。

图1. 固体电解质电化学沉积测试及传输示意图。

恒电流充放电循环测试结果表明，UIO-66-NH₂@P具有较高的初始容量，并且在循环110圈后库伦效率依然保持在99%左右，与纯PEO聚合物电解质相比，官能化的金属有机框架复合聚合物电解质因其稳定性具有更优异的循环性能。本文验证了合理分子设计对MOFs孔隙中锂离子的沉积行为和锂离子电池的循环性能具有重要的调控作用。界面离子传输问题通常困扰着固态电池的技术发展，其微结构的复杂性与化学异质性导致人们对固-固界面的电化学行为很难有深入的理解。所以，鉴于固态电解质体系丰富的结构-性能关系，此基于电子效应的新发现可为新型电解质材料设计及优化带来新的契机。

该成果已在线发表在《化学通讯》（Chem. Commun.）上，云南大学化学科学与工程学院林欣蓉副教授为通讯作者，卿霞为第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A functionalized metal organic framework-laden nanoporous polymer electrolyte for exceptionally stable lithium electrodeposition

Xia Qing, Jiarui Li, Zongtao Wang, Mao Chen, Jun Lin, Xinrong Lin

Chem. Commun., 2020, 56, 15533-15536, DOI: 10.1039/D0CC06265K

导师介绍

林欣蓉，博士，现任云南大学化学科学与工程学院副教授、硕士生导师。2008年本科毕业于武汉大学化学基地班。2008-2014年于美国波士顿大学获得博士学位，2011-2013年期间位于美国麻省理工学院做联合培养博士。2014-2016年在美国波士顿大学纳米创新中心从事博士后研究。回国之后，2017-2019年工作于德国巴斯夫集团电池材料研究部门。2019年在云南大学担任副教授，目前研究方向以可持续发展，绿色化学为理念，通过设计、制备及表征高分子及小分子材料，发展新型高性能材料的合成方法论，并就高效全固态储能电池及生物柔性器件等前沿应用展开研究，利用现代分析表征技术从分子层面揭示构效关系及转化机理。