本文介绍了一项关于锂金属电池中基于金属有机框架（MOF）玻璃的固态电解质的研究，该研究由Yang Xiang、Ning Yu、Jianbo Li等作者共同完成，发表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上，预计于2025年正式出版。该研究的主要目标是开发一种新型的固态电解质，以解决传统聚合物固态电解质（PSEs）在锂离子导电性、动力学性能和安全问题上的不足。
随着可再生能源技术的快速发展，电动汽车和大规模储能系统的需求不断增加，推动了高性能、安全稳定的储能解决方案的研究。传统的聚合物固态电解质（PSEs）虽然具有高柔性和低成本的优势，但其锂离子导电性较低，且存在安全隐患。凝胶聚合物电解质（GPEs）结合了液态电解质的高离子导电性和固态电解质的机械稳定性，被认为是接近实际应用的准固态电解质系统。然而，GPEs的孔隙结构通常较低，导致电解质吸收能力有限，离子传输效率不高。因此，如何通过调控孔隙结构来提高离子传输效率成为研究的重点。
金属有机框架（MOFs）由于其高度有序的孔隙结构和良好的机械性能，被认为是制备高性能GPEs的理想载体。然而，传统的晶体MOF（c-MOF）基电解质存在界面和间隙阻碍离子传输的问题，且其脆性和不可溶性限制了其在实际应用中的使用。近年来，MOF玻璃作为一种新型材料，通过熔融晶体MOF并快速冷却形成，具有高可加工性和形状可控性，为解决上述问题提供了新的思路。然而，MOF玻璃的孔隙结构通常较低且不连续，限制了离子的迁移。因此，探索调控MOF玻璃孔隙结构的方法，并理解孔隙结构与离子传输之间的关系，成为设计高性能MOF基电解质的关键。
本研究采用了一种自上而下的策略，制备了具有分级孔隙结构的自支撑MOF玻璃膜。具体步骤如下：
MOF玻璃膜的制备：首先，通过溶剂热法合成了晶体ZIF-62材料，并通过扫描电子显微镜（SEM）、粉末X射线衍射（XRD）和高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）确认了其晶体结构。随后，将聚乙烯亚胺（PEI）与ZIF-62颗粒混合并压制成膜，加热诱导熔融，PEI分解产生的气体调节了MOF玻璃膜的孔径，最终通过快速冷却得到自支撑的MOF玻璃膜。
孔隙结构的调控：通过调节PEI的含量，精确控制了MOF玻璃膜的孔隙结构。研究发现，随着PEI含量的增加，MOF玻璃膜中的大孔比例也随之增加，形成了分级孔隙结构。这种分级孔隙结构有助于提高离子传输效率。
离子传输性能的测试：将制备的MOF玻璃膜浸泡在电解质中，得到不同类型的GPEs（dmg-gpe、pmg-gpe和lmg-gpe），并通过电化学阻抗谱（EIS）测试了其离子导电性。结果表明，随着PEI含量的增加，离子导电性先升高后降低，其中pmg-gpe的离子导电性最高，达到1.9 mS cm⁻¹。
离子传输机制的研究：通过固态7Li魔角旋转核磁共振（MAS-NMR）和飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）等技术，研究了不同孔隙结构对锂离子传输的影响。研究发现，pmg-gpe中的大孔作为桥梁连接了相邻的MOF玻璃微孔，形成了连续的离子传输通道，显著提高了锂离子的传输效率。
研究结果表明，通过调控MOF玻璃膜的孔隙结构，可以显著提高其离子导电性和锂离子传输效率。具体结果如下：
离子导电性：pmg-gpe的离子导电性达到1.9 mS cm⁻¹，远高于传统的c-MOF基电解质。此外，pmg-gpe的锂离子迁移数为0.70，表明其具有较高的锂离子选择性。
电化学稳定性：pmg-gpe的电化学稳定性窗口达到4.90 V，高于典型的液态电解质（4.65 V）。此外，基于pmg-gpe的锂对称电池在0.5 mA cm⁻²的电流密度下稳定循环超过6000小时，未发生短路现象，表明其具有优异的抑制锂枝晶生长的能力。
电池性能：基于pmg-gpe的Li//LiFePO4半电池在1C倍率下循环1400次后，容量保持率高达83.12%，表现出优异的循环稳定性。
本研究通过自上而下的策略，成功制备了具有分级孔隙结构的MOF玻璃基固态电解质（pmg-gpe），显著提高了锂离子导电性和传输效率。研究结果表明，pmg-gpe不仅具有高离子导电性和优异的电化学稳定性，还能有效抑制锂枝晶的生长，表现出优异的电池循环性能。这些发现为开发高性能固态电池提供了新的材料和概念突破，具有重要的科学和应用价值。
本研究通过调控MOF玻璃的孔隙结构，成功开发了一种新型的固态电解质，显著提高了锂离子导电性和传输效率，为高性能固态电池的开发提供了新的思路。该研究不仅具有重要的科学价值，还为固态电池的商业化应用提供了潜在的技术支持。