鈉金屬電池（SMBs）因其鈉資源豐富、成本低廉等優(yōu)勢，被視為鋰離子電池的理想替代品。然而，固態(tài)電解質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如離子電導(dǎo)率低、界面接觸不良以及鈉枝晶生長等問題，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。相比之下，凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE）因其優(yōu)異的柔韌性和可擴(kuò)展性，展現(xiàn)出更大的應(yīng)用潛力。盡管如此，傳統(tǒng)凝膠聚合物電解質(zhì)仍存在離子遷移率不足的缺陷，難以滿足高性能鈉金屬電池的需求。近年來，金屬有機(jī)框架（MOFs）因其可調(diào)的孔道結(jié)構(gòu)和高孔隙率特性，為Na+的快速遷移提供了理想通道，從而顯著提升了離子遷移效率。因此，合理選擇MOF填料并制備適用于鈉金屬電池的MOF基凝膠電解質(zhì)仍是目前研究重點(diǎn)。
針對上述問題，近日，陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院黃文歡教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出兩種鋅基MOF材料（AHF-PDC與AHF-BPDC），通過調(diào)控配體長度形成孔徑分別為6 ?和9 ?的一維通道。其中，BPDC@PH電解質(zhì)憑借更大的孔道（9 ?）及孔壁靜電吸附特性，顯著優(yōu)化了鈉離子（Na?）的擴(kuò)散路徑。同時，該材料能夠選擇性吸附陰離子（TFSI?），從而將離子遷移數(shù)提升至0.87，并在35°C下實(shí)現(xiàn)了7.74 × 10?? S cm?1的高電導(dǎo)率。這一研究為開發(fā)高性能鈉金屬電池電解質(zhì)提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)支持。相關(guān)工作在《Advanced Functional Materials》期刊上以“Enhanced Ionic Diffusion via Refined Pillared 1D Channels for Sodium Metal Batteries”為題發(fā)表。
本文亮點(diǎn)：
1. 精準(zhǔn)設(shè)計(jì)MOF孔道，實(shí)現(xiàn)離子高效傳輸。通過調(diào)控配體長度形成孔徑分別為6 ?和9 ?的一維通道。其中，BPDC@PH電解質(zhì)憑借更大的孔道（9 ?）及孔壁靜電吸附特性，顯著優(yōu)化了鈉離子（Na?）擴(kuò)散路徑，并選擇性吸附陰離子（TFSI?），使離子遷移數(shù)提升至0.87，電導(dǎo)率達(dá)7.74 × 10?? S cm?1（35°C）。
2. 超長循環(huán)穩(wěn)定性與界面優(yōu)化。在1.0 mA cm?2電流密度下，鈉金屬對稱電池連續(xù)運(yùn)行超1000小時無短路，全電池（NVP|BPDC@PH|Na）循環(huán)1000次后容量保持率高達(dá)98%。分子動力學(xué)模擬顯示，擴(kuò)大的MOF孔道加速了NaTFSI的傳輸，促進(jìn)負(fù)極表面形成富含NaF的薄層固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI），有效抑制枝晶生長。組裝的固態(tài)軟包電池在彎折、切割等極端條件下仍可穩(wěn)定供電，并點(diǎn)亮LED燈組，展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械安全性和商業(yè)化潛力。
PDC@PH 和 BPDC@PH 凝膠聚合物電解質(zhì)的制備
精準(zhǔn)調(diào)控柱狀 1D 通道，增強(qiáng)離子遷移動力學(xué)
誘導(dǎo)富含NaF的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）沉積并穩(wěn)定鈉界面
NVP | MOF@PH | Na 全電池的電化學(xué)性能
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202420572
新聞小貼士：
黃文歡，在無機(jī)合成化學(xué)領(lǐng)域，聚焦雜化氮唑框架的設(shè)計(jì)合成及構(gòu)效關(guān)系開展深入研究。擔(dān)任《EcoMat》顧問委員會成員、《Rare Metals》、《稀有金屬》中英兩刊青年編委；《Wearable Electronic》青年編委；《Tungsten》青年編委；《Rare Metal Materials and Engineering》青年編委；《Chinese Journal of Structural Chemistry 》青年編委。先后入選陜西省高校科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃（2021）、陜西省科技新星（2022）、陜西省特支計(jì)劃-青年拔尖人才（2023）。近年來，發(fā)表論文80余篇，包括Nature Communication （1篇）、Angew Chem. Int. Ed. （2篇）、Advanced Materials（2篇）、Advanced Functional Materials（4篇）、Advanced Science（1篇）、Science China Chemistry（1篇）等，ESI高被引論文14篇，總引用4680次(單篇最高503次，7篇論文超100次引用)，論文前封面4篇，連續(xù)入選 “2023、2024年度全球前2% 頂尖科學(xué)家榜單”。
(核稿：黃文歡 編輯：劉倩）
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