近日，我院郑奇峰团队在Wiley出版社期刊Advanced Energy Materials上发表了题为“Sustainable Release of LiNO3 from a Fluorine-Decorated Metal–Organic Framework Separator to Enable High-Performance Li-Metal Batteries in Carbonate Electrolytes”的研究成果。该成果报道了一种LiNO3封装的F修饰UIO-66/聚酰亚胺（PI）功能隔膜（LNO@UIO-66F/PI），以克服高电压锂金属电池中高电压运行与锂金属相容性之间长期存在的矛盾，为高能量密度锂金属电池的实际应用铺平了道路。团队研究生杜铭聪为第一作者，我院郑奇峰教授和蔡跃鹏教授为共同通讯作者。
具有超高理论比容量（3860 mAh g−1）的锂金属负极被认为是最终的电池负极材料。尽管锂金属电池具有独特的优势，但锂金属负极的使用仍面临着巨大的挑战，如锂枝晶的不可控生长和死锂的形成。有效抑制锂枝晶的生长是提高高能量密度锂金属电池安全性和循环寿命的关键。根据Sand’s Time公式，较小的阴离子迁移数有效推迟了锂枝晶的生长。因此，理论上可以通过限制阴离子的传输同时促进锂离子的迁移来抑制锂枝晶的生长。而隔膜作为电解液的储层，为调控离子迁移行为提供了良好的平台。然而，商用的聚烯烃隔膜（如PP）存在着热稳定性差以及无法抑制锂枝晶生长等问题，极大地限制了其在锂金属电池的实际应用。
为了解决锂金属电池中锂枝晶不可控生长的问题，化学学院郑奇峰/蔡跃鹏团队通过在PI纤维上原位生长F修饰的UIO-66（UIO-66F）纳米颗粒，然后将LiNO3封装在UIO-66F孔道内，合理设计并制备了LiNO3封装的UIO-66F/聚酰亚胺（PI）功能隔膜（LNO@UIO-66F/PI）。通过系统的实验分析结合理论模拟，研究发现：（1）与PP隔膜相比，PI纤维具有优越的电解液润湿性，优异的机械和热稳定性，这能够提高电池的倍率性能和安全性。（2）在PI纤维上生长的致密的UIO-66F纳米颗粒形成了连续的纳米通道，有望提供快速和均匀的锂离子通量。（3）而具有丰富电负性位点的UIO-66F可以促进锂离子的快速迁移，并通过静电作用排斥阴离子的迁移。（4）封装在UIO-66F纳米孔中的LiNO3不断释放，在锂金属负极上形成富含Li3N的SEI，诱导了致密的球形锂沉积形态，显著提高了锂的相容性。因此，在应用这种合理设计的LNO@UIO-66F/PI隔膜时，Li||Li对称电池可以在10 mA/cm2和10 mAh/cm2的高电流密度下稳定运行超过1000圈，高电压Li||NCM811全电池在3.0 C下稳定运行超过2000圈；并从实验和理论两个方面深入研究了离子迁移和界面调控的机制。本研究证明了LNO@UIO-66F/PI隔膜在调节离子传输、锂沉积和SEI化学方面的有效性，为高比能锂金属电池的发展提供了新的思路。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202403674