林欣蓉课题组：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

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我国作为世界能源消费大国，利用新型储能设备储存新能源以替代传统能源迫在眉睫，获得2019年诺贝尔化学奖的锂离子电池让可穿戴电池、超微植入电池、电动车等先进供能及动力设备进入人们的日常生活。近年来，锂离子电池从具有严重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，锂金属负极在固态电池中的使用亦将理论容量有效提升至石墨负极的10倍以上，驱动下一代储能设备如锂-空气电池、锂硫电池等的发展。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，寻找新型的能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。

        金属有机骨架（MOFs）具有极低的电子电导率和可调控的离子电导率，可能成为一种天然的电解质材料。并因其周期性晶体结构导致的独特且稳定的多孔性质，理论上可以在正负极间提供稳定而有序的导离子通道，使锂离子输运能力提高，从而使锂离子稳定沉积防止电池在充放电循环中由于枝晶的生长而短路。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。
        我院林欣蓉课题组利用电子效应调控MOF及电解质的孔道大小和极性，报道了一种负载胺官能化的全固态纳米聚合物电解质（UIO-66-NH2@P）。这种新型纳米聚合物电解质显著增强了锂电沉积的稳定性，在上百个充放电循环和长达1500小时的剥离沉积下均未出现锂离子电沉积不稳定迹象，极大抑制了锂枝晶的生长，并且循环性能比传统的PEO聚合物电解质延长了数十倍。通过对照实验我们还发现，相反电子效应的聚合物电解质具有明显的反向性能，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。鉴于固态电解质体系丰富的结构-性能关系，作者相信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！
       相关成果以“A functionalized metal organic framework-laden nanoporous polymer electrolyte for exceptionally stable lithium electrodeposition”为题发表在Chemical Communications 上（自然指数期刊，影响因子：5.996, DOI. 10.1039/d0cc06265k）。论文第一作者为2018级硕士生卿霞，通讯作者为林欣蓉副教授，第一通讯单位为云南大学。该工作获得教育部长江学者和创新团队发展计划、国家自然科学基金、云南大学引进人才启动基金资助。


       文章来源：云南大学
        林欣蓉，云南大学。致力于以可持续发展，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。