【儀表網 研發(fā)快訊】鋰金屬電池因其超高能量密度和高輸出電壓，被視為下一代高能量密度電池的理想選擇，在電動汽車、便攜式電子設備和可再生能源存儲等領域展現出廣闊應用前景。然而，其實際應用仍受到離子傳輸緩慢和不可控枝晶生長的嚴重制約，尤其在快速充電條件下問題更為突出。
隔膜作為電池的核心組件，不僅承擔防止短路的作用，還直接決定鋰離子傳輸的均勻性與界面穩(wěn)定性。傳統(tǒng)聚烯烴隔膜(如PP、PE)因離子電導率低、電解液潤濕性差和熱穩(wěn)定性不足，往往導致離子遷移不均和濃差極化加劇，從而誘發(fā)鋰沉積不均。為突破瓶頸，功能化隔膜的設計受到廣泛關注。其中，金屬有機框架(MOFs)憑借可調控的孔道結構、高比表面積和多樣的配位環(huán)境展現出獨特優(yōu)勢。不同晶面、邊緣和頂點的原子排布及電子結構顯著影響其與電解液中鋰離子及陰離子的相互作用。然而，目前關于MOFs基隔膜的結構-功能關系仍缺乏系統(tǒng)理解，尤其是不同晶面暴露對離子傳輸和界面動力學機制的調控作用尚未得到深入揭示，開放金屬位點與微孔網絡在鋰離子脫溶劑化及離子篩分中的作用機制亟待闡明。
針對上述難題，西安交通大學化學學院郗凱教授團隊聚焦鋰金屬電池的界面調控與離子傳輸優(yōu)化，致力于開發(fā)高性能隔膜材料以提升電池的快充能力和循環(huán)穩(wěn)定性。研究團隊選擇暴露(110)晶面的ZIF-8作為電荷選擇性離子篩分中心，利用其表面不飽和的鋅位點作為路易斯酸位點，選擇性錨定TFSI-陰離子。同時，ZIF-8的微孔結構提供了空間限制，降低了局部電流密度，增強了界面穩(wěn)定性。實驗結果表明，采用該隔膜的鋰金屬電池在2 mA cm?²和1 mAh cm?²條件下實現了超過1400次的穩(wěn)定循環(huán)，平均庫侖效率高達98.7%。此外，在高負載條件下，鋰鐵磷酸鹽(LiFePO4)電池在5 C倍率下循環(huán)3000次后仍保持99.9%的庫侖效率，展現了優(yōu)異的快充性能。
相關成果以《晶面工程調控復合隔膜實現選擇性離子篩分 助力鋰金屬電池穩(wěn)定快充》(“Crystal Facet–Engineered Anion Regulation Enables Fast–Charging Stability in Lithium Metal Batteries”) 為題，發(fā)表在國際著名期刊《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition) 。西安交通大學化學學院為第一通訊單位，博士生劉春麗為論文第一作者，郗凱教授為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、秦創(chuàng)原高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才項目資助，并獲得了西安交通大學國家儲能技術產教融合創(chuàng)新平臺和西安交通大學分析測試中心在測試表征方面的支持。
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