吉林大学徐吉静教授团队《Adv. Funct. Mater.》：MOF基固态电解质材料助力高稳定一体化固态锂氧气电池

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近日，吉林大学的徐吉静教授团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Metal–Organic Frameworks Derived Electrolytes Build Multiple Wetting Interfaces for Integrated Solid-State Lithium–Oxygen Battery”的研究文章。该文章通过调控金属有机框架材料（MOF）的不饱和金属位点和分子孔道尺寸，实现了高稳定性MOF固态电解质材料，并进一步构筑高安全、长寿命的固态锂氧气电池。该研究基于MOF材料UiO-67制备了具有高离子传导性能、高空气稳定的新型固态电解质材料。同时，通过原位生长策略在多孔导电石墨烯气凝胶基底上原位生长该电解质材料，获得了具有电子、离子连续传输和气体分子快速传输通道的固态空气正极。由于具有定向的离子传输通道和丰富的离子传输位点，该MOF-基固态电解质展现出高达6.4×10⁻⁴ S cm⁻¹的离子电导率、高达0.65的锂离子迁移数、以及对空气组分和负极的高度稳定性，有效解决了现有固态电解质材料稳定性差和界面构建困难等问题。另外，通过原位生长策略对MOF固态电解质与电极材料进行一体化设计，构筑了低阻抗电极/固态电解质界面，有效提升了锂离子的输运。基于上述设计，实现了可稳定循环长达115次的固态锂氧气电池。该研究为新型固态电解质材料设计和构建高安全长寿命固态金属锂电池提供了新思路，具有重要的科学价值。 
图1. MOF基固态Li–O₂电池示意图。a) MOF/MOF@rGO aerogel结构的制备过程和固态Li–O₂电池的结构示意图。b) UiO-67-Li多孔通道中锂离子传输过程示意图。c) 致密MOF层抑制枝晶生长。
 
图2. UiO-67-Li中的锂离子传导机制。a) UiO-67-OMS的结构。b) MCM-48的结构（立方，空间群 Ia3d）。c) UiO-67-Li、LiPF₆和MCM-48-Li的⁷Li MAS NMR光谱。d) Li|UiO-67-Li SSEs|Li电池极化前后的EIS曲线，插图是极化10 mV时的电流-时间曲线。e) 不同Zr位点上PF₆⁻吸附构型的DFT计算。
 
图3. a, b) MOF骨架内的锂离子传输。c) UiO-66-Li和UiO-67-Li分子结构中的Li⁺扩散途径。d, e) 计算的Li⁺在UiO-66-Li和UiO-67-Li中扩散的最小能量路径。f) UiO-67-Li、UiO-66-Li和MCM-48-Li在室温下的EIS曲线。g) UiO-67-Li、UiO-66-Li和MCM-48-Li的Arrhenius曲线。h) UiO-67-Li、UiO-66-Li和MCM-48-Li的离子迁移数与其孔径的比较。

 图4. 一体化固态正极的设计与合成。a) UiO-67-Li@rGO aerogel的合成示意图。b) UiO-67-Li@rGO aerogel的SEM图像。c) UiO-67-Li@rGO aerogel的TEM图像。d) UiO-67-Li和UiO-67-Li@rGO aerogel的PXRD图谱。e) rGO、UiO-67-Li和UiO-67-Li@rGO aerogel的拉曼光谱。 
图5. 基于MOF/MOF@rGO aerogel的固态Li–O₂电池的电化学性能。a) UiO-67-Li/UiO-67-Li@rGO aerogel的横截面SEM图像。b) 致密的UiO-67-Li层的表面形态。c) UiO-67-Li/rGO和UiO-67-Li@rGO aerogel中的Li⁺传导通道示意图。d) 具有UiO-67-Li/rGO和UiO-67-Li@rGO aerogel的固态Li–O₂电池在100 mA g⁻¹电流密度下的全放电曲线。e) 使用UiO-67-Li/rGO和UiO-67-Li@rGO aerogel的固态Li–O₂电池的首次放电-充电曲线。f) 固态Li–O₂电池的循环寿命。g, h)原位DEMS分析。
 
图 6. 致密MOF固态电解质层抑制锂枝晶。a) 使用液体电解质和UiO-67-Li固态电解质的Li–O₂电池中锂负极在第20次循环后的PXRD图。b) 使用液态电解质和UiO-67-Li固态电解质的Li–O₂电池的锂沉积行为示意图。c, d) 液体电解质和UiO-67-Li固态电解质在选定模拟时间的Li⁺浓度分布和锂金属沉积的有限元模拟。 吉林大学化学学院在读博士生王晓雪为该论文的第一作者，通讯作者为徐吉静教授。

原文链接

https://doi.org/10.1002/adfm.202113235

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