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标签：学科前沿

关键词：离子液体锂金属电池类固体电解质金属-有机框架

锂电池具有极高的理论比容量和低氧化还原电位，是极具潜力的新一代储能设备。然而，锂是一种极度活泼的金属，与易燃的有机液体电解质结合会形成锂枝晶，从而引起火灾甚至爆炸等安全问题。类固体和固态电解质具有优良的热、电化学稳定性，被认为是传统液体电解质的替代品。金属-有机框架(MOF)因其高比表面积和孔隙率、可调控的组成和结构以及电绝缘性能，成为类固体和固态电解质的一个新兴研究热点。然而，固态电解质与电极之间物理界面的接触会产生较大的界面电阻，这限制了锂金属电池的倍率性能和循环稳定性。

类固体电解质结合了固态电解质和液态锂离子导体的优点，在锂金属电池中呈现出广泛的应用前景。然而，使用有机液体电解质不能从根本上解决锂金属电池的安全问题，提高类固体电解质的机械强度以抑制锂枝晶的生长也是亟待解决的问题。离子液体(ILs)具有较高的离子电导率和宽的电化学窗口，是传统有机电解质的优越替代品。因此，利用ILs设计兼具高离子电导率和机械强度的电解质具有十分重要的意义。

图1.IPPZ类固体电解质和锂离子传输机制示意图

（图片来源：ACSAppl.Mater.Interfaces）

基于此，浙江大学的涂江平教授团队通过利用聚丙烯(PP)原位生长法制备了ZIF-8/PP复合膜，然后将ZIF-8/PP复合膜浸渍在含锂的IL中，制备出Li-[EMIM][TFSI]

ZIF-8/PP（IPPZ，其中[EMIM][TFSI]为1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺）类固体电解质（图1）。

图2.样品的XRD、接触角和7Li-MASNMR谱图

（图片来源：ACSAppl.Mater.Interfaces）

经过两步原位生长后，复合膜的所有衍射峰都与ZIF-8的标准特征峰对应，这表明ZIF-8纳米颗粒均匀分布在复合膜的表面和内部，成功获得了ZIF-8纳米颗粒均匀分布的复合膜（图2a）。Li-[EMIM][TFSI]在ZIF-8/PP复合膜上的接触角远远小于PP（图2b,c），接触角的急剧下降说明ZIF-8/PP复合膜对Li-[EMIM][TFSI]的亲和性比PP强得多，这将有助于改善界面相容性并保障离子的连续传输。

图3.样品的电化学性能测试

（图片来源：ACSAppl.Mater.Interfaces）

在25°C时由Nyquist图计算出IPPZ类固体电解质的离子电导率比Li-[EMIM][TFSI]

PP(IPP)高得多，并表现出温度依赖性（图4a-e）。均匀分布的ZIF-8纳米颗粒使IPPZ类固体电解质离子电导率显著提高，它对离子导体(Li-[EMIM][TFSI])更具亲和性，并提供更多的锂离子传输路径。此外，ZIF-8对[EMIM]+和[TFSI]-还有限制作用，促使IPPZ类固体电解质的Li+迁移数从0.32(IPP)增加到0.45(图4f）。

图4.LFP/IPPZ/Li和LFP/IPP/Li全电池的电化学性能测试

（图片来源：ACSAppl.Mater.Interfaces）

较高的锂离子迁移数可以诱导锂离子均匀沉积，从而有效抑制锂枝晶的生长，使其对称电池在h的循环测试后几乎没有极化现象。与LFP/PPZ/Li电池相比（LFP为LiFePO4），LFP/IPPZ/Li电池的放电容量和倍率性能明显增强（图4a），在0.2C下循环次后仍能保持91.23%的容量（图4c）。这是由于IPPZ类固体电解质具有较高的离子电导率和Li+转移数，它可以促进离子传输并减少电池极化，因此LFP/IPPZ/Li显示出更强的放电能力。

综上，本文制备的新型Li-[EMIM][TFSI]

ZIF-8/PP类固体电解质可有效抑制锂枝晶的生长，为制备高安全性锂金属电池的MOF基类固体电解质提供了新途径。

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