徐吉静课题组：MOF固态电解质和光辅助固态锂空气电池

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日前，吉林大学化学学院、无机合成与制备化学国家重点实验室徐吉静教授课题组在MOF固态电解质材料和固态锂电池领域取得重要进展，该研究成果以“Metal–Organic Framework-Based Mixed Conductors Achieve Highly Stable Photo-Assisted Solid-State Lithium–Oxygen Battery”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。该工作定向制备了具有优异电子和离子传导可调性的金属有机框架（MOF）材料，同时用作锂空气电池固态电解质和固态空气正极，构筑了高安全长寿命的光辅助固态锂空气电池。相比传统固态电解质材料，MOF固态电解质展现出高离子电导率、高电化学稳定性和高环境适应性。相比传统固态空气正极复杂的结构及组成（包含电子导体骨架、离子导体层、气体扩散层等），本工作使用单一MOF材料实现了固态空气正极同时具备良好的电子、离子和气体传输等功能。固态锂空气电池展现出94.2%的高能量效率及320次长循环寿命。该工作突破了对固态电解质材料和固态正极的原有认知，为发展下一代低成本高安全的固态锂电池技术提供了新思路。
          随着“碳达峰碳中和”，储能产业的市场发展潜力巨大，亟需发展具有高比能的下一代电池技术。锂空气电池拥有超高的理论比能量（~3500 Wh kg−1），被认为是最有发展前景的下一代电池技术之一。然而，电池中正极反应动力学缓慢、电解液分解、锂负极枝晶等仍然是制约锂空气电池实际应用的关键科学难题。
        徐吉静课题组前期研究证明了利用太阳能构筑光辅助锂空气电池是提升正极反应动力学的有效策略（Adv. Mater. 2022, 34, 2104792、Adv. Mater. 2022, 34, 2107826、J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 14253、Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 19518、Adv. Mater. 2020, 32, 1907098、Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2103097、ACS Nano 2022, 16, 12364）。但光辅助策略在增加正极催化活性的同时也会加剧电解液分解和锂负极腐蚀，导致电池的快速失效。同时该课题组的研究也证明了采用高机械强度和安全性的固态电解质取代液态电解质，可以有效避免不可逆的电解液分解和负极锂枝晶生长，从而提高电池的安全性和循环寿命（Nature 2021, 592, 551、J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 5718、Chem 2023, 9, 394、Matter 2023, 6, 142、Nat. Commun. 2020, 11, 2191、Adv. Mater. 2020, 32, 2002559、Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2113235、ACS Nano 2020, 14, 3281）。因此，固态电解质与光辅助锂空气电池的结合将发挥光辅助策略和固态电池的双重优势，有望同时解决电池的正极动力学缓慢、电解液分解、负极枝晶等关键难题（图1）。
        基于此，该课题组利用可调电子/离子混合导体MOF材料同时用作固态电解质和固态空气正极，构筑了光辅助固态锂空气电池。光辅助固态锂空气电池由固态空气正极、固态电解质以及锂金属负极组成。得益于MOF对电子和离子传导具有良好的可调性，固态空气正极和固态电解质使用同质混合导体MOF材料，可以有效避免采用两种不同电子和离子导体引起的电子转移和锂离子传导不连续的问题。同时，光照的引入极大地降低了传统固态电池充电过程中高反应能垒，从而降低电池的充电电位，提高电池能量转换效率和循环寿命。与已报道的固态锂空气电池低能效相比，这项工作的能效高达94.2%，实验验证了使用混合导体是实现高性能固态锂空气电池的重要策略。
        本工作开发的MOF固态电解质材料也被进一步组装成固态锂离子电池，同样展现出优异的电池性能和高安全性，展示了MOF固态电解质在下一代可实用化固态锂电池技术中的广阔应用前景。

图1：光辅助固态锂空气电池设计思路

         文章详情：Xiao-Xue Wang, De-Hui Guan, Cheng-Lin Miao, De-Chen Kong, Li-Jun Zheng, and Ji-Jing Xu*, Metal−Organic Framework-Based Mixed Conductors Achieve Highly Stable Photo-assisted Solid-State Lithium−Oxygen Batteries, J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 5718–5729.
         原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.2c11839
          课题组主页：http://synlab.jlu.edu.cn/2013/11/3574.html
         文章来源：吉林大学
         徐吉静，吉林大学，无机合成与制备化学国家重点实验室，未来科学国际合作联合实验室，教授，博士生导师，学术带头人，吉林省青年科技奖获得者。近年来从事高比能锂空气电池方面的研究，致力于通过无机纳米材料的功能化设计、可控制备和物化特性调控，以解决现有锂空气电池领域的关键科学难题。近5年共发表SCI学术论文40余篇，其中包括第一作者和通讯作者论文：Nat. Commun.2篇、Nat. Energy 1篇、Angew. Chem. Int. Ed. 1篇、Adv. Mater. 2篇、Energy Environ. Sci. 1篇、ACS Cent.Sci.1篇、J. Mater. Chem. A 1篇。迄今为止，论文被他引3800余次，单篇最高引用375次， 2篇单篇引用超过300次，12篇论文入选 ESI 高引论文，个人H指数28。获授权发明专利和国防专利8项，在申请发明专利11项。承担或参加科技部重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、吉林省重点产业发展专项资金和吉林省自然科学基金等多项科研课题。获2018 年吉林省青年科技奖和 2013 年吉林省自然科学学术成果奖。