第一作者：杜路路
近年来，随着锂离子电池的发展和广泛应用，人们对高能量密度和高安全性能的电化学储能设备的需求越来越大。锂金属电池由于其高的能量密度受到了研究者们的大量关注。然而传统的有机电解液存在易燃、易泄露、有毒和热稳定差等安全性问题；此外，隔膜也容易被锂枝晶刺穿导致电池短路，引起失火爆炸等风险，这严重限制了锂金属电池的发展。采用固态电解质取代传统有机电解液有望实现高的能量密度和高的安全性能。复合固态电解质能够克服聚合物电解质离子电导率低和无机固态电解质与电极材料界面接触差等不足，从而实现高的离子电导率和良好的界面接触。目前主流填料多为纳米颗粒，这些颗粒在聚合物基质中随机分布，无法提供连续的锂离子传输路径；同时，在成膜过程中随着溶剂蒸发而发生团聚和沉降，这也大大限制了离子电导率的提高。此外，这些传统填料无法保证制备的复合固态电解质具有足够的机械强度来抑制锂枝晶的生长。因此，需要设计具有优良机械性能的离子导体来提供长程连续的锂离子传输路径，进一步提升复合固态电解质的离子电导率和机械性能以推进固态电池的应用。针对此问题，武汉理工大学麦立强教授和徐林教授团队在《Adv. Energy Mater.》期刊上发表题为“Hierarchically self-assembled MOF network enables continuous ion transport and high mechanical strength”的文章。此工作采用自组装策略构筑了三维分级自组装MOF离子导体，避免了MOF颗粒在聚合物电解质中的无序分布和团聚，改善了原本不连续的锂离子传输和弱的机械强度。该分级自组装MOF结构由一维MOF纤维相互连接构成宏观三维离子导体，实现了锂离子在复合聚合物电解质体相中的连续传输；在微米尺度，MOF纤维实现了锂离子在一维方向的连续快速传输；在纳米尺度，MOF中的亚纳米孔道和路易斯酸性金属位点实现了选择性限制大阴离子的移动，促进了锂离子传输。此外，MOF和聚酰亚胺骨架之间强的键合作用，以及聚酰亚胺自身的机械优势，使得分级自组装MOF离子导体具有良好的机械性能和柔性，克服了传统三维陶瓷离子导体的脆性问题，能够满足实际应用的需求。获得的分级自组装MOF离子导体/聚合物复合固态电解质具有优良的电化学性能，如室温离子电导率达到4.08×10-4 S cm-1, 锂离子迁移数为0.64，电化学窗口0~5.2 V，组装的锂锂对称电池能够稳定工作而不发生短路，组装的固态LiFePO4//Li电池在0.5 C电流密度下，循环500圈容量为146.6 mAh g-1，保持率为96%。该工作表明通过自组装策略对复合固态电解质中填料空间分布的调控，如由无序分布到有序分布，能够改善复合固态电解质的电化学性能和宏观力学性能。图2.（a）分级自组装MOF离子导体/聚合物复合固态电解质制备过程示意图；（b）MOF自组装过程示意图；（c）聚酰亚胺、KOH处理聚酰亚胺和分级自组装MOF红外测试结果；（d）聚酰亚胺、KOH处理聚酰亚胺和分级自组装MOF的XPS测试结果；（e）聚酰亚胺、Zn2+交换聚酰亚胺和分级自组装MOF的Zn 2p XPS测试结果。图3.（a-c）不同倍数分级自组装MOF的SEM图；（d）分级自组装MOF在平整、弯曲、揉压和展开后的光学照片；（e）分级自组装MOF离子导体/聚合物复合固态电解质SEM图；（f）分级自组装MOF离子导体/聚合物复合固态电解质以及相关材料XRD测试结果。图4.（a）不同固态电解质在30℃下的EIS曲线；（b）分级自组装MOF离子导体/聚合物复合固态电解质在不同温度下的EIS曲线；（c）不同固态电解质在不同温度下离子电导率比较；（d）不同固态电解质的LSV测试曲线；（e）不同固态电解质的原位热稳定性测试；（f）分级自组装MOF离子导体/聚合物复合固态电解质锂离子迁移数测试结果。图5.（a, b）不同固态电解质电流密度为0.1 和 0.4 mA cm-2 的锂锂对称电池室温循环测试结果；（c）不同固态电解质的应力应变曲线；（d）分级自组装MOF离子导体/聚合物复合固态电解质锂锂对称电池循环前后的EIS曲线；（e）聚合物电解质锂锂对称电池锂枝晶情况；（f）MOF颗粒离子导体/聚合物复合固态电解质锂锂对称电池锂枝晶情况；（g）分级自组装MOF离子导体/聚合物复合固态电解质锂锂对称电池锂枝晶情况。图6.（a）不同固态电解质组装的固态LiFePO4//Li电池室温下的倍率性能；（b）分级自组装MOF离子导体/聚合物复合固态电解质组装的固态LiFePO4//Li电池不同倍率下的充放电曲线；（c）不同固态电解质组装的固态LiFePO4//Li电池室温下循环性能；（d-g）分级自组装MOF离子导体/聚合物复合固态电解质组装的固态LiFePO4//Li软包电池在平整、折叠、剪切、针刺情况下均能点亮LED灯光学照片。Hierarchically self-assembled MOF network enables continuous ion transport and high mechanical strengthhttps://doi.org/10.1002/aenm.202200501 码上阅读原文
麦立强 教授，武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师，武汉理工大学材料科学与工程学院院长，英国皇家化学学会会士，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员、国家“十四五”材料领域重点专项指南编制专家。2004年在武汉理工大学获工学博士学位，随后在美国佐治亚理工学院（2006-2007）、哈佛大学（2008-2011）、加州大学伯克利分校（2017）从事博士后、高级研究学者研究。2014年获国家杰出青年科学基金资助，2016年入选教育部长江学者特聘教授和国家“万人计划”领军人才。主要研究方向为纳米储能材料与器件。构筑了国际上第一个单根纳米线固态储能器件，创建了原位表征材料电化学过程的普适新模型，率先实现了高性能纳米线电池及关键材料的规模化制备和应用。在Nature（1篇）、Nature、Science及Cell子刊（18篇）等期刊发表SCI论文400余篇；获授权国家发明专利100余项。在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做大会报告、主旨报告、特邀报告70余次。作为大会主席组织Nature能源材料会议、第十届中美华人纳米论坛等重要国际会议10余次。主持/承担了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家杰出青年基金、国家基金委重大科研仪器专项、国家自然科学基金重点项目、国家国际科技合作计划等国家级科研项目30余项。获国家自然科学奖二等奖（第一完成人）、何梁何利基金科学与技术创新奖（青年奖）、科睿唯安全球高被引科学家、教育部自然科学一等奖（第一完成人）、英国皇家化学会中国高被引作者、中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、湖北省自然科学一等奖（第一完成人）、侯德榜化工科学技术奖（青年奖）、国际电化学能源科学与技术大会卓越研究奖，入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。现任国际期刊Journal of Energy Storage副主编，Advanced Materials、Chemical Reviews客座编辑，National Science Review学科编辑，Interdisciplinary Materials学术编辑，Accounts of Chemical Research、Joule、ACS Energy Letters、Advanced Electronic Materials、Small国际编委，Nano Research、Science China Materials、eScience和《功能材料》编委。徐林 教授，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室教授，博士生导师，入选国家级高层次青年人才项目。2013年在武汉理工大学获博士学位，随后在美国哈佛大学（2013-2016）和新加坡南洋理工大学（2016-2017）从事博士后研究。主要从事纳米储能材料与器件研究，包括固态电池、水系电池等高安全电池体系，重点围绕纳米材料界面的设计构筑、原位表征及电化学性能。研究成果发表在Nature Nanotech., Nature Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Lett., Chem, Joule等学术期刊。获得了国家自然科学二等奖、教育部自然科学一等奖、湖北省自然科学一等奖等科研奖励。武汉理工大学纳米重点实验室主要从事纳米能源材料与器件领域的研究，包括新能源材料、新型催化材料、微纳器件等前沿方向。团队目前有教师11名，包括长江学者、杰青、国家领军人才、国家级高层次青年人才5人（次），在读博士、硕士研究生80余人。中科院院士赵东元教授作为课题组学术顾问，为课题组发展提供重要的指导和帮助。团队长期致力于储能技术领域研究，设计组装了国际上第一个单根纳米线器件，实现单纳米基元从0到1的突破，发现电子/离子双连续效应和分级协同效应。团队近年来主持/承担了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家杰出青年基金、国家基金委重大科研仪器专项、国家自然科学基金重点项目、国家国际科技合作计划等国家级科研项目30余项。课题组目前发表SCI论文400余篇，以第一或通讯作者发表Nature 1篇，Nature子刊9篇，合作发表Science1篇、Nature、Science、Cell子刊7篇，以第一或通讯作者在影响因子10.0以上的期刊发表论文100余篇，ESI高被引论文55篇，ESI 0.1%热点论文13篇。获得国家发明授权专利140余项。获国家自然科学二等奖（2019）、教育部自然科学一等奖（2018年）和湖北省自然科学一等奖（2014年和2021年）。团队负责人麦立强教授获何梁何利基金科学与技术青年创新奖（2020）和国际电化学能源大会卓越研究奖（2018，每年仅2人）等，获国家杰青资助（2014年），入选教育部“长江学者”奖励计划（2016年），英国皇家化学会会士（2018）和科睿唯安全球高被引科学家（2019、2020、2021）；任国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”首席科学家、国家重点研发计划纳米科技专家组成员、国家“十四五”材料领域重点专项指南编制专家，入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴；在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做特邀报告70余次；作为会议主席举办Nature能源材料会议、第十届中美华人纳米论坛等重要学术会议。团队培养的50余名学生被推荐到哈佛大学、麻省理工大学、牛津大学、加州大学洛杉矶分校、西北太平洋国家实验室、阿贡国家实验室、清华大学、北京大学、中国科学院等著名高校或科研机构进行深造。10余名学生已在国内外知名高校和科研单位如英国国家物理实验室、萨里大学、滑铁卢大学、厦门大学等任职，担任教授或助理教授。该团队已发展成为国内外纳米科学技术和新能源材料技术领域具有重要影响的科学研究、国际合作及人才培养中心。欢迎有志于从事新能源纳米材料与器件的有志之士加盟本课题组！特别欢迎对科研感兴趣、成绩好、英语基础扎实、积极主动性高、有志于继续国内或到国外深造的学生报考或申请本课题组的博士后、博士生、硕士生，也欢迎国内外专家学者或学生的访问、交流与合作！http://mai.group.whut.edu.cn/chs/
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