现如今锂离子电池因其较低的能量密度限制了其在便携式电子产品以及电动汽车上的进一步发展。金属锂负极具有更高的理论比容量，将金属锂负极与高电压正极材料相匹配能够大幅度提升储能电池的能量密度。但使用金属锂负极的电池依然面临着易燃易爆炸等安全问题，因此锂金属电池的实际应用依然面临严峻的挑战。

与传统的液态电解质相比，固态聚合物电解质（SPEs）因具有良好的机械性能和电化学稳定性，被视为满足锂金属电池安全性和能量密度的最具有发展前景的材料之一。然而，固态锂金属电池中聚合物电解质材料仍然存在的机械性能差、离子电导率低、电化学窗口较窄的和较差的界面接触，严重阻碍了其实际应用。其中最常见的SPEs是基于聚氧化乙烯基固态电解质(PEO)，但其室温下离子电导率较低（10⁻⁷~10⁻⁶ S cm⁻¹），且在4.0 V以上易发生电化学分解。通过添加无机填料来降低结晶度，可以打破结晶区并提高离子电导率，但纳米颗粒填料容易团聚或相分离。此外，研究学者提出引入增塑剂或溶剂加快固态电解质内部的离子传导性能，但这些方法会大大降低聚合物电解质的机械强度。因此，开发同时具有高离子导电性和高机械性能的SPEs仍然面临巨大的挑战。

近日，国家能源集团电科院联合华中科技大学裴非、黄云辉教授团队，通过对含氨基改性的锆基MOFs（UiO-66-NH₂）进行合理设计，将其作为多功能纳米填料加入到基于聚氨酯（PU）的聚合物电解质中，实现了机械强度和室温离子导电性的协同提升。表面改性的-NH₂基团作为锚定点，与聚氨酯链的氨基甲酸酯（-NH-COO-）和酯基（-COO-）形成了牢固的氢键界面。制备了具有增强机械强度（42.8 MPa）的UiO-66-NH₂基PU复合SPEs。聚合物链与纳米填料之间丰富的界面进一步大幅降低了聚合物链的结晶化，显著提高了室温离子导电性（2.1×10⁻⁴ S cm⁻¹）并具有高锂离子转移数0.71。因此，制备的对称Li|SPE|Li电池显示出超过2000小时的稳定循环性能。LiFePO₄|SPE|Li基电池稳定运行700个循环后仍具备96.5%的容量保持率，而LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂(NCM622)|SPE|Li电池在260个循环后具有91.9%的高容量保持和98.5%的平均库伦效率。这种方法为增强耐高电压固态聚合物电解质中的锂离子传输提供了一种新策略。

图 1 (a) PCL-HDI的合成过程。(b) UiO-66-NH₂结构示意图。(c) PCL-HDI中氢键的示意图。(d) PCL-HDI与UiO-66-NH₂之间氢键的示意图。(e) SPEs中聚合物链的氧与Li⁺的配位作用示意图。

图 2 (a-e) UiO-66-NH₂的透射电子显微镜（STEM）图像（a）及其相应的元素分布（b-e）。(f-h) PCL-HDI（f）、PCL-HDI@UIO（g）和PCL-HDI@UIO/LiTFSI（h）的扫描电子显微镜图像。(i) UiO-66-NH₂、PCL-HDI和PCL-HDI@UIO的X射线衍射图谱。(j) PCL-HDI的傅里叶变换红外光谱。(k) PCL-HDI@UIO的热重分析曲线。

图 3 (a, b) 合成的PCL-HDI/LiTFSI（a）和PCL-HDI@UIO/LiTFSI（b）的照片。(c) 不同温度下PCL-HDI@UIO/LiTFSI的电化学阻抗谱图。(d) PCL-HDI@UIO/LiTFSI的阿伦尼乌斯图。(e)拉曼光谱曲线。(f) Li|PCL-HDI@UIO|Li对称电池极化前后的计时安培曲线和交流阻抗谱。(g) 固态聚合物电解质的电压窗口测试。

图4(a) 在0.2 mA·cm⁻²和 0.2 mAh·cm⁻²条件下Li|SPEs|Li对称电池的长周期循环性能。(b, c) 不同阶段中Li|SPEs|Li的放大电压曲线。(d) Li|SPEs|Li对称电池速率性能的电压曲线。(e, f) PCL-HDI/LiTFSI对称电池循环后金属锂的表面（e）和截面（f）SEM图像。(g, h) 经过倍率循环后，PCL-HDI@UIO/LiTFSI对称电池循环后金属锂的表面（g）和截面（h）SEM图像。

图 5 (a, b) 在0.5 C下LFP|SPEs|Li电池的充放电曲线（a）和倍率性能（b）。(c, d) 在0.5 C下LFP|SPEs|Li电池的充放电曲线（c）和长周期循环性能（d）（LFP的负载为5 mg cm⁻²）。(e, f) 在0.5 C下NCM622|SPEs|Li电池的充放电曲线（e）和倍率性能（f）（NCM622的负载为5 mg cm⁻²）。(g) 在0.5 C下NCM622|SPEs|Li的长循环性能。

图 6 (a, b) 循环后的NCM622正极与PCL-HDI/LiTFSI的表面（a）和截面（b）扫描电子显微镜图像。(c, d) 循环后的NCM622正极与PCL-HDI@UIO/LiTFSI的表面（c）和截面（d）扫描电子显微镜（SEM）图像。(e, f) 与PCL-HDI/LiTFSI（e）和PCL-HDI@UIO/LiTFSI（f）形成的CEI的透射电子显微镜图像。(g, h) 循环后的NCM622与PCL-HDI/LiTFSI（g）和PCL-HDI@UIO/LiTFSI（h）的高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像。(i, j) NCM622|SPEs|Li软包电池的循环性能（i）和实物照片（j）。

裴非(通讯作者)简介：华中科技大学材料科学与工程学院博士后(黄云辉教授)。2021年博士毕业于厦门大学能源化学(导师郑南峰院士、方晓亮教授)。长期从事高比能锂金属电池、固态聚合物电解质等方面的研究。主持国自然青年科学基金、中国博士后特别资助、中国博士后面上资助以及湖北省博士后创新岗位资助等，核心参与工信部固态电池重点专项、科技部重点研发计划以及国自然重大研究计划。以第一/通讯作者发表包含Nature Commun.(2篇)、Joule、 Adv. Mater.、Energy Environ. Sci. (2篇)、Adv. Energy Mater. (3篇)、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Energy、Energy Storage Mater.以及Nano Res.在内的国际顶级期刊14篇，谷歌学术总引用3460次，授权/公开国家发明专利14项。

黄云辉教授简介：华中科技大学教授/博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，华中科技大学第一届优秀研究生教师（2022年）。长期从事新型能源材料和器件的研究开发工作，在Science、Chem. Soc. Rev、Energy Environ. Sci.、Nature Commun.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Chem、Nano Lett.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等国际著名学术期刊上，发表SCI论文600余篇，论文引用6.5万余次，H-因子130，2018-2023年连续入选全球高被引科学家和中国高被引学者；授权或公开专利80余件。2012年获中国侨界贡献奖（创新人才），2015年获教育部自然科学一等奖、2016年获国家自然科学二等奖、2020年获湖北省自然科学一等奖（均为第一完成人）。

新能源材料、能源化学、材料科学与工程等锂电池相关领域向，主要负责锂电池正负极材料、硅负极粘结剂、聚合物电解质、固态电池等方向。

1、具有扎实的电化学基础知识，较强的英文写作能力、操作动手能力，或者具备丰富的企业项目申报执行经验。

2、以第一作者身份在国际主流期刊发表过论文，积极参与国家级科研项目，支持参与成果技术转化。

3、特别优秀者可推荐竞聘教师岗位以及按学校规定参评技术职称任职资格。

1、基础年薪22-25万元，申请华中科技大学博士后特别资助者年薪可达30万元，具体待遇可面议，聘期2-3年；

2、按学校规定提供校内博士后公寓（或住房补贴1500/月）及安排子女入托（学）；

3、支持申报国家资助博士后研究人员计划（A、B、C三挡）、国自然青基（30万）、博士后面上资助，博士后特别资助（18万），以及其他科研项目；

4、参照教职工享受子女入学、入托，各类成果奖励，公费医疗或社会医疗保险以及其他社会保险等福利待遇。

有意者请将应聘者请将个人履历（包括个人学习和工作经历、代表性成果、科研项目、奖励荣誉等）发送至邮箱：peifei@hust.edu.cn。邮件主题请以“应聘博后+博士毕业院校+姓名”命名。黄云辉教授课题组主页http://sysdoing.mat.hust.edu.cn/index.htm

Danru Huang, Lin Wu, Qi Kang, Zhiyong Shen, Qiaosheng Huang, Wenjie Lin, Fei Pei* and Yunhui Huang, Amino-modified UiO-66-NH₂ reinforced polyurethane based polymer electrolytes for high-voltage solid-state lithium metal batteries. Nano Research, 2024, DOI: https://doi.org/10.1007/s12274-024-6886-9.