苏庆梅&黄文欢&庞欢Angew.：3D MOF基膜原位生成富含LiF的Janus异质结构SEI稳定固态Li金属电池

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研究内容

锂（Li）的理论比容量为3860 mAh g-1，氧化还原电位较低（-3.04 V vs标准氢电极），被认为是下一代高能量密度电池的有前途的负极。然而，锂金属电池（LMB）的应用存在严重的安全问题，并且由于锂枝晶在电极和隔膜之间的界面间隙处生长而导致容量快速下降。追求高安全性的高功率密度Li金属电池对于开发下一代储能设备至关重要，但无法控制的电解质降解和由此形成的不稳定固体电解质界面（SEI）使这项任务极具挑战性。

陕西科技大学苏庆梅教授、黄文欢副教授扬州大学庞欢教授构建了离子液体（IL）限制的MOF/聚合物3D多孔膜，用于促进Janus异质结构富LiF/Li3N的SEI膜在纳米纤维上的原位电化学转化。这种3D Janus SEI提供了快速的Li+传输路径，显示出8.17×10-4 S cm-1的优异室温离子电导率和0.82的Li+转移数。固态Li//LiFePO4和Li//NCM-811全电池显示出增强的倍率性能和超长的寿命。相关工作以“Stabilizing Solid-state Lithium Metal Batteries through In Situ Generated Janus-heterarchical LiF-rich SEI in Ionic Liquid Confined 3D MOF/Polymer Membranes”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

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研究要点

要点1.作者通过静电纺丝和化学浸泡工艺，构建了一种具有1D纤维亚结构的离子液体（IL）约束MOF/聚合物三维（3D）分级多孔膜作为准固态电解质界面（SEI）。得益于锂盐和IL在沸石孔中的限制，原位电化学转化的LiF和Li3N SEI均匀覆盖MOF/聚合物纤维并嵌入分级网络，构建了3D Janus SEI结合的固态电解质。

要点2.作者使用低温透射电镜对SEI中原位形成的LiF和Li3N纳米晶体以及Li枝晶的沉积进行了可视化监测，这对电池充放电过程中结构演变的理论模拟和动力学分析非常有益。

要点3.这种3D Janus SEI实现了快速的Li+传输动力学（25℃时为8.17×10-4 S cm-1），进一步大大抑制了Li枝晶的生长。此外，Li//LiFePO4和Li//NCM-811全电池，在1 C下获得了~140 mAh g-1和在2 C下获得了~335 mAh g-1的显著长期容量。在1 C倍率下500次循环后保持了95.3%的优异容量保持率，在25℃下仅从129.55 mAh g-1衰减到123.46 mAh g-1。

该工作强调了一种理想的SEI结构设计和一种实用的高性能固态电池的有效策略。

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研究图文

图1. 3D Janus分级电解质的原位合成。（a）富含LiF的SEI在3D janus电解质中的电化学转化和离子传输路线。（b）电解质分解和SEI形成的示意图。（c）抑制Li枝晶的示意图。

图2. 3D Janus分级电解质的表征和性能。

图3. 在3D Janus分级电解质中形成富含LiF的SEI。

图4. 电解质中富LiF SEI的低温TEM、XPS和TOF-SIMS表征。

图5. Li+溶剂化结构的分析和DFT计算。

图6. 固态Li//LFP全电池的电化学性能。

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文献详情

Stabilizing Solid-state Lithium Metal Batteries through In Situ Generated Janus-heterarchical LiF-rich SEI in Ionic Liquid Confined 3D MOF/Polymer Membranes

Xingxing Zhang, Qingmei Su,* Gaohui Du, Bingshe Xu, Shun Wang, Zhuo Chen, Liming Wang, Wenhuan Huang,* Huan Pang*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI:https://doi.org/10.1002/anie.202304947