鋰金屬具有高達3,860mAh/g的比容量和低至-3.04V(相對標準氫電極)氧化還原電位。因而可充電鋰金屬電池成為了最具發(fā)展?jié)摿Φ母吣芏纬潆婋姵伢w系之一。但鋰枝晶問題嚴重困擾鋰金屬電池的發(fā)展，失控生長的鋰枝晶可以快速降低電池的性能，縮短電池使用壽命，甚至刺穿電極之間的膜，引發(fā)電池短路等安全問題。因此，如何在大的電流密度、大的能量密度、長周期循環(huán)的條件下，實現(xiàn)對鋰枝晶生長的有效抑制就成為問題關(guān)鍵。有鑒于此，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的柏松延博士、孫洋博士和南京大學周豪慎教授發(fā)展了一種新型的MOF基電解質(zhì)，能在大電流高容量下抑制鋰枝晶的生長。

研究亮點：

1.MOF基電解質(zhì)在大電流密度、大能量密度、長周期循環(huán)下，實現(xiàn)對鋰枝晶生長的有效抑制。

2.通過計算，證明了MOF結(jié)構(gòu)對TFSI？離子的有效調(diào)控以及實現(xiàn)均勻的Li+離子傳輸。

MOF基電解質(zhì)是利用MOF(HKUST-1)的有序超微孔結(jié)構(gòu)作為離子篩，在普通電解液(1MLiTFSIDOL/DME)中實現(xiàn)對陰陽離子傳輸?shù)挠行д{(diào)控，并表現(xiàn)出高離子遷移系數(shù)和高離子電導率。相對于陰陽離子在普通電液里的無序傳輸并造成不均勻的鋰沉積，MOF結(jié)構(gòu)可以提供高效的離子通道，選擇性地減緩TFSI？陰離子在其中的通過，從而達到均勻的鋰離子傳輸效果，實現(xiàn)均相的鋰沉積。

圖1抑制鋰枝晶生長的示意圖

為了闡明MOF孔道對陰陽離子傳輸起作用的機制，研究人員做了一系列理論計算。通過密度泛函理論(DFT)計算在兩種極端情況下，TFSI？陰離子在水平(Path-I)或垂直(Path-II)情況下通過MOF孔道中的能量壁壘。在MOF框架處于剛性或者弛豫的的狀態(tài)下，他們之間(F點和F’點)的能壘差分別達到了1.26eV和0.63eV。相關(guān)計算說明了MOF孔道的空間限制對TFSI？陰離子在通道中的傳輸起到了選擇性延緩作用。

圖2DFT計算TFSI？在MOF孔洞中傳輸?shù)哪芰勘趬?br/>
分子動力學模擬(MD)的結(jié)果證明MOF結(jié)構(gòu)可以通過對TFSI？陰離子的有效調(diào)控來實現(xiàn)均勻的Li+離子傳輸。在普通電液中(1MLiTFSIDOL/DME)，由于溶劑化過程，TFSI？陰離子的均方位移比溶劑化的Li+離子更快。而在MOF基電解質(zhì)中，MOF孔道會延緩TFSI？陰離子在其中的通過，使得Li+離子的均方位移擴散得更快。

圖3Li+和TFSI-在普通DOL/DME電解液和MOF基電解質(zhì)中的分子動力學模擬

相對于陰陽離子在普通電液里的無序傳輸并造成不均勻的鋰沉積，MOF結(jié)構(gòu)可以提供高效的離子通道，選擇性地延緩TFSI？陰離子在其中的通過，從而達到均勻的鋰離子傳輸效果，實現(xiàn)均相的鋰沉積。

對稱電池測試分別在大電流密度(5mA/cm2，10mA/cm2和10mA/cm2)情況下進行，其相對應(yīng)的能量密度為(2.5mAh/cm2，5mAh/cm2和10mAh/cm2)對稱電池可以在長循環(huán)時間，至少超過800小時內(nèi)未出現(xiàn)明顯短路跡象。

圖4MOF基電解質(zhì)在對稱電池中的性能表現(xiàn)

通過SEM觀測鋰枝晶在循環(huán)完后的鋰金屬負極中的生長情況。使用傳統(tǒng)電解液的對稱電池，在10mAh/cm2和10mAh/cm2條件下，120小時后電池出現(xiàn)短路。鋰金屬負極表面生長有大量長達10μm的鋰枝晶刺穿隔膜造成短路。而在使用MOF基電解質(zhì)的對稱電池里，鋰枝晶的生長情況受到了明顯地抑制。在三種大的電流密度條件下情況下，均無明顯的鋰枝晶生長情況。

圖5鋰金屬電極在不同電流密度下的表面形貌變化

使用鈦酸鋰做電極材料，驗證了在大電流條件下，使用MOF基電解質(zhì)的鋰金屬電池，亦可以表現(xiàn)出穩(wěn)定的長循環(huán)性能。在電流密度達到7mA/cm2的情況下，鈦酸鋰-鋰金屬電池在循環(huán)2000圈后，只有7mAh/cm2的容量損失。每圈的容量損失率低至0.0025%。

圖6MOF基電解質(zhì)在鋰金屬電池中的電化學性能測試

總之，該研究首次報道了MOF基電解質(zhì)在鋰負極保護中的作用，對鋰金屬電池的進一步發(fā)展有重要意義。此外，該研究也展示了MOF的超微孔結(jié)構(gòu)在電池體系中的應(yīng)用潛力。