中南大学邹国强AM：二维MOF纳米片为聚合物电解质提供快速的锂离子传导特性

固态电池可以确保锂金属电池的高能量密度和安全性，但聚合物电解质则受到离子动力学缓慢和Li+低选择性传输的困扰。金属有机框架(MOFs)已被提出作为固态聚乙稀(PEO)电解质的新兴填充物，然而，开发功能化的MOFs并了解其对离子传输的作用已被证明具有挑战性。

近日，中南大学邹国强副教授、阿贡国家实验室Khalil Amine教授、Tongchao Liu结合计算和实验结果，发现MOFs中的官能团调节可以有效地改变表面电荷分布和限制阴离子移动，这为上述问题提供了潜在的解决方案。具体而言，作者通过分子工程设计了功能化的二维（2D）MOF片，以构建高性能的复合电解质，其中2D MOFs中取代基的给电子效应有效地限制了ClO4−的运动，并促进了PEO的机械性能和离子迁移数（0.36至0.64）。因此，在0.2 mA cm−2的电流密度下，采用复合电解质的Li/Li电池在1000小时内表现出优异的可循环性。同时，固态LiFePO4/Li电池在200次循环后可提供148.8 mAh g−1的高可逆容量。这些发现突出了一种通过使用官能团的电子效应来限制阴离子从而提高离子导电性的新方法，并为高性能固态电池提供了可行的方向。

文章要点：

1. 这项工作提出了一种二维MOFs的分子尺度工程来进一步调节复合电解质中的离子传输。二维MOFs被设计用来创建快速渗流通道，以加快电解质中Li+的动力学。

2. 值得注意的是，2D-MOF中的取代基促进了给电子效应，限制了ClO4-的移动，从而提供了更好的机械性能，大大提高了锂离子迁移数（0.64），并与理论模拟结果很好地对应。因此，PEO/MOFs-NH2电解质在室温下的离子电导率为6.5×10-5 S cm-1，是没有MOFs的固态电解质的近10倍。

3. 此外，MOF的表面修饰被赋予了复合电解质不同的特性，其中MOFs-NH2中的电子给体氨基官能团作为离子筛加强了离子的选择性传输，而MOFs或MOFs-NO2显示出较弱的影响。

4. 得益于界面行为的显著改善，组装的锂金属对称电池在0.2 mA cm-2的电流密度下显示出稳定的剥离/沉积电化学曲线。基于PEO/MOFs-NH2电解质的全固态LiFePO4/Li电池也显示了出色的循环稳定性，在0.3C下循环200次后，最终容量为148.8 mAh g-1，而PEO/LiClO4电解质系统的最终容量仅为57.8 mAh g-1。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202303193

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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