关于“Enhancing Microdomain Consistency in Polymer Electrolytes Towards Sustainable Lithium Batteries”的研究报告

一、研究背景及发表信息

本文为一项原创研究，由 Feng Yang、Fan Yanpeng、Zhao Lingfei、Yu Jiangtao、Liao Yaqi、Zhang Tongrui、Zhang Ruochen、Zhu Haitao、Sun Xingwei、Hu Zhe、Zhang Kai 和 Chen Jun 等研究人员完成，主要研究机构包括南开大学、深圳大学、华中科技大学和澳大利亚伍伦贡大学等。本文于 2025 年发表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上，DOI 为 “10.1002/anie.202417105”。研究围绕高性能锂金属电池的凝胶聚合物电解质（Gel Polymer Electrolytes, GPEs）展开，提出了基于金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）分散技术的策略，以改善电解质微结构一致性，从而提高电池性能。

二、研究背景与目标

锂金属电池（SSLMBs）因其高能量密度和更高的安全性，被视为下一代储能设备的明星技术之一。但目前制约其性能和使用寿命的重要课题之一是固态电解质（Solid-State Electrolytes, SSEs）的开发优化。凝胶聚合物电解质（GPEs）是液态电解质和全固态电解质之间的桥梁，兼具两者的优点。然而，传统的GPEs面临填料不均匀分散、机械及电化学性能不足等挑战，微观结构的不一致进一步导致的锂离子（Li⁺）通量不均匀，往往引发不稳定的电极-电解质界面（EEI）。

金属有机框架（MOFs），作为具备可调结构和多功能性质的新型晶体多孔材料，展现出在提升锂盐解离、离子传导等方面的潜力。然而，在聚合物基质中实现MOFs的均匀高分散性始终是一项难题。本研究提出一种基于溶液原位构建法的GPE制造策略，成功实现MOFs在聚合物基质中的均匀分布。通过改善微观结构一致性，显著提升了GPE的机械强度、离子迁移速率和电极界面稳定性。

三、详细研究流程

1. 制备工作流程

研究使用了一种三步式溶液原位过程，具体包括： - 骨架膜制备：选用具有高机械可靠性和化学热稳定性的氟化聚酰亚胺纳米纤维膜（F-PI）作为骨架材料，用静电纺丝与热压技术制成厚度约为16μm的均匀分布膜。 - 前驱体溶液处理：将MOF前驱体与聚合物溶液混合，进行原位MOF生长。 - 热合成：通过热处理完成膜的形成与性能固化。

为对比研究，团队还采用机械混合法制备传统MOF/Polymer膜。分别将这两种膜赋予“MOF@Polymer”和“MOF/Polymer”名称。

2. 性能测试及创新技术

团队对膜的形貌、结构、理化性质和电化学性能进行了全面评估： - 形貌分析：利用X射线计算机断层扫描（XCT）和扫描电子显微镜（SEM）对比MOFs的分散性，发现溶液法制备的MOF@Polymer膜实现了MOF颗粒的均匀无聚集分布。 - 溶剂化结构解析：借助傅里叶红外光谱（FT-IR）和核磁共振（7Li NMR）揭示了MOF@Polymer中比MOF/Polymer更高比例的溶剂化锂离子配置。 - 理论计算与传输机制：通过密度泛函理论（DFT）计算，分析了MOF@Polymer中增强的锂盐解离能力及离子通道传输特性；结合有限元模拟揭示MOF均匀分布在稳定锂沉积和电子场一致性中的关键作用。

3. 数据分析流程

实验数据通过多种实证手段支撑，包括CV、Tafel曲线测试检测离子迁移动力学，热重分析（TGA）评估热稳定性，AFM测试固态电解质界面的机械稳定性，EIS表征界面阻抗等。整个实验体系构建层次分明，结果高度自洽。

四、主要实验结果

1. 微结构性能提升：

   • MOF@Polymer膜表现出更高的机械强度（应力62.24 MPa，对比传统方法的45.22 MPa）。
   • 聚合物基质中MOFs的高分散性减少了离子迁移的阻抗，实现了高离子电导率（1.51 mS/cm）及较高的锂离子迁移数（0.66）。
   • MOF@Polymer膜在莫氏表面与EEI处形成稳定化学键，有助于减少长时循环中的界面阻抗增长。

2. 锂沉积与界面行为：

   • 借助有限元模拟和SEM表征，展示了MOF@Polymer在锂沉积过程中锂通量的均一性，显著平整的锂金属沉积行为避免了不均匀生长。
   • MOF@Polymer支持的对称电池在1mA/cm²电流密度下耐受1800小时稳定循环，而对比膜仅约900小时。

3. 全电池实测结果：

   • 利用LiFePO4（3.8 V）和LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（4.3 V）高压正极组合，MOF@Polymer支持的电池展现出优异的循环稳定性（例如，NCM811在200周期后容量保持率为94.2%）。
   • 于高负载和高电压下的袋型全电池测试展示了令人满意的活性材料利用效率。

五、研究结论

本文提出的溶液原位构建策略，为MOF填料的高效分散提供了创新性解决方案。与传统机械混合法相比，原位制造不仅优化了GPE的机械和电化学性能，同时其性能在实际电池装置中也得到了验证。

研究的科学意义包括： - 显示微观结构一致性对提升锂电池性能的关键性作用。 - 提供了一种灵活适应的GPE构建方法，适配多种MOF类型和基质材料。 - 为商业化固态锂电池的高性能高效电解质的研发指明方向。

六、研究亮点

• 方法创新：通过原位溶液法成功实现MOF高分散，克服了传统机械混合法的均匀分散难题。
• 结果显著：提出了具有行业领先离子电导率和界面稳定性的GPE方法。
• 实际应用性：在多种电池配置和负载条件下验证了性能，显示其商业化潜力。

七、研究价值

该研究不仅为电池领域提供了新型电解质开发的技术参考，同时还揭示了基础材料微观一致性对电池行为改善的重要影响，为全固态锂金属电池（SSLMBs）的实际应用奠定了基础。