张献明教授、沈建强副教授，Small观点：通过在钇有机框架内耦合单锂离子导体与锂离子筛实现超高容量密度锂金属电池- 大数跨境

首页

张献明教授、沈建强副教授，Small观点：通过在钇有机框架内耦合单锂离子导体与锂离子筛实现超高容量密度锂金属电池

科学材料站

2025-12-30

导读：张献明教授、沈建强副教授，Small观点：通过在钇有机框架内耦合单锂离子导体与锂离子筛实现超高容量密度锂金属电池

科学材料站

文章信息

通过在钇有机框架内耦合单锂离子导体与锂离子筛实现超高容量密度锂金属电池

第一作者：赵甜甜

通讯作者：张献明*，沈建强*

单位：山西师范大学，运城学院

科学材料站

研究背景

随着新能源汽车、储能设备等领域对高能量密度电池的需求激增，高压锂金属电池（HV-LMBs）因具备超高理论能量密度成为研究热点。然而，该类电池面临两大关键挑战：一是锂枝晶的无序生长会导致电池短路、循环寿命骤降，严重影响安全性；二是单一性能优化策略（如单独使用锂离子筛或单锂离子导体）难以兼顾离子传导效率与枝晶抑制效果，性能提升远未达到实际应用预期。

为破解这一困境，科研团队瞄准“协同增效”思路，提出将锂离子筛的离子筛选功能与单锂离子导体的高离子迁移特性相结合，旨在从根本上提升电池的容量密度、循环稳定性和安全性。

科学材料站

文章简介

近日，来自运城学院的张献明教授和山西师范大学的沈建强副教授合作，在材料科学权威期刊Small上发表了题为“Ultra-High Capacity Density Lithium Metal Battery is Effectuated via Coupling Single Lithium-Ion Conductor and Lithium-Ion Sieve Within Yttrium-Organic Framework”的观点文章。该团队将LIS与SLIC结合以协同提升HV-LMBs性能，研究通过原位合成方法制备出具有仿生锂离子链结构的钇基MOF材料LiYBDC，并在溶剂化与凝胶化处理后，使其离子电导率提升近27倍。更关键的是，该材料在凝胶化后形成具有锂离子筛分功能的孔道结构，实现了高达0.92的锂离子迁移数，接近理论理想值（tLi⁺=1），从而在根本上抑制了锂枝晶的生长。

图1. HV-LMB中树枝状锂生长的示意图：(a) 传统隔膜，(b) LIS基隔膜，(c) SLIC基隔膜，(d) SLIC与LIS耦合隔膜。(e) LiYBDC-H₂O的构建单元及(f)三维结构。(g) LiYBDC-EC的三维结构。

科学材料站

本文要点

要点一：创新材料设计 —— 稀土MOF基SLIC的结构突破

团队将稀土元素钇（Y）引入MOF框架，构建出含仿生锂离子链的SLIC材料。其独特结构设计实现双重优势：

1. 未溶剂化时，材料具有1.8 Å的三角形通道，溶剂化后孔径精准调控至0.8 Å，仅允许锂离子（半径0.7 Å）通过，形成高效锂离子筛；

2. 锂离子沿配体壁迁移，迁移能垒低至8.377 eV，为高离子导电性奠定基础；

3. 钇元素的饱和配位结构确保材料在充放电过程中稳定性优异，无结构重排或取代反应发生。

图2. LiYBDC-H₂O的仿生锂离子链沿(a) a轴、(b) b轴和(c) c轴的视图。锂离子(d) 转移能垒及（e-k）转移过程。

图3. (a) LiYBDC-H₂O、LiYBDC-EC和LFE@LiYBDC的 PXRD图像，(b) LiYBDC-H₂O、LiYBDC、LiYBDC-EC和 LFE@LiYBDC在77 K下的N2吸附（实心）与脱附（空心），(c) LiYBDC-H₂O、LiYBDC-EC和 LFE @LiYBDC的7Li固态NMR，(d) LiYBDC-H₂O、LiYBDC-EC和 LFE@LiYBDC的FT-IR光谱。计算结果包括LiYBDC吸附的结合能和配位模式：(e) 水，(f) 2PF₆^–，(g) 2EC，以及(h) EC/PF₆^–。

要点二：关键性能跃升 —— 导电性、选择性与安全性全面提升

经溶剂化和凝胶化处理后，材料性能实现质的飞跃：

1. 离子导电性显著提升：LiYBDC-H₂O的室温离子导电性为0.036 mS cm⁻¹，溶剂化后的LiYBDC-EC提升至0.228 mS cm⁻¹，凝胶化后的LFE@LiYBDC薄膜更是达到0.972 mS cm⁻¹，远超多数已报道的MOF基电解质；

2. 高锂离子迁移数与选择性：LFE@LiYBDC薄膜的锂离子迁移数高达0.92，能有效抑制阴离子传输，从根源上抑制锂枝晶生长；

3. 安全性优化：MOF材料的引入使电解液膜的热稳定性显著提升，燃烧时间从4秒延长至12秒，同时改善了电解液与电极的润湿性（接触角从32.6°降至20.3°），提升电池循环可靠性。

图4. (a) LiYBDC-H₂O、LiYBDC-EC、LiYBDC-EC薄膜、LFE 薄膜及LFE@LiYBDC薄膜在25℃下的奈奎斯特图。(b) 基于MOF的单层离子导体电池的阿伦尼乌斯图及其计算活化能。(c) LiYBDC-EC薄膜、LFE 薄膜及LFE@LiYBDC薄膜的离子电导率与锂离子电导率。(d) 本研究中锂离子导体的Li⁺转移数与锂离子电导率与其他已报道研究的对比。(e) LiYBDC、LiYBDC-H₂O、LiYBDC-EC、LFE@LiYBDC及PF6-中Li⁺的MSD随模拟时间变化的函数关系（以LFE@LiYBDC为基准）。

要点三：电池性能突破 —— 容量密度与循环稳定性创佳绩

该协同体系在多种锂金属电池中展现出行业领先水平：

1. LiNi₁/₃Co₁/₃Mn₁/₃O₂|Li 电池：初始容量密度达167.82 mAh g⁻¹（为目前已报道同类电池的第二高值），207次循环后容量保持率79%，5C高倍率下150次循环容量保持率仍达80%；

2. 对称电池超长循环：Li|Li对称电池循环稳定性达3000小时，Cu|Li电池循环700小时仍保持稳定，均刷新同类电池的循环寿命纪录；

3. 普适性优异：在LiFePO₄|Li电池中同样表现突出，1C倍率下918次循环容量保持率80%，5C倍率下1633次循环容量保持率仍达80%，展现出广泛的应用潜力。

图5. (a) 溶剂、锂盐及LiYBDC/LiYBDC-H₂O/LiYBDC-EC/LFE@LiYBDC体系的前线轨道能级。(b) LiYBDC的莫特-肖特基曲线。(c) LFE@LiYBDC薄膜与LFE 薄膜的锂箔LSV曲线。(d) LFE@LiYBDC薄膜与LFE薄膜在0.5 mAh cm⁻²电流密度下的对称锂离子电池电压曲线（插图：锂循环1000-1005小时期间锂沉积与剥离的放大示意图）。(e) LFE@LiYBDC基电池的循环寿命，并与文献报道的电池进行对比。

图6. (a) Cu|Li电池在0.5 mAh cm⁻²电流密度下，LFE@LiYBDC薄膜与LFE薄膜的电压曲线。(b) Cu|Li电池在0.5 mAh cm⁻²电流密度下，LFE@LiYBDC薄膜与LFE薄膜的恒电流循环性能。(c) 基于LFE@LiYBDC的电池循环时长与库仑效率，并与文献报道的电池进行对比。(d) LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂|Li电池在2.0 mg cm⁻²电流密度下，LFE@LiYBDC薄膜与LFE薄膜的电压-容量曲线。(e) LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂|Li电池在2.0 mg cm⁻²电流密度下，LFE@LiYBDC薄膜与LFE薄膜的恒电流容量循环性能。(f) 基于LFE@LiYBDC的电池比容量，并与文献报道的电池进行对比。LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂|Li电池在(g) 1次循环和(h) 100次循环后，LFE薄膜与LFE@LiYBDC薄膜的电化学阻抗谱。(i) 100次循环后，LFE@LiYBDC薄膜与(j) LFE薄膜的LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂|Li电池中固体电解质界面的F1s XPS。

图7. LFE@LiYBDC和LFE作为电解质膜的NMC111|Li电池枝晶形成过程。(a) 0小时、(b) 3小时、(c) 6小时、(d) 12小时、(e) 24小时LFE@LiYBDC基电池的枝晶生长情况；(f) 0小时、(g) 5分钟、(h) 30分钟、(i) 1小时、(j) 2小时LFE基电池的枝晶生长情况。

科学材料站

研究意义

该研究的核心创新在于首次实现了锂离子筛与单锂离子导体的协同整合，通过稀土 MOF 基材料的结构设计，同时解决了锂枝晶抑制、电解液分解和离子传导效率三大关键问题。其开发的协同策略不仅适用于高压锂金属电池，还可拓展至锂硫电池、锂离子电池等各类锂基电池体系，为高能量密度、长寿命、高安全电池的研发提供了重要理论指导和技术支撑。未来有望通过进一步优化材料工艺，推动高能量密度锂金属电池的产业化应用。

科学材料站

文章链接

Ultra-High Capacity Density Lithium Metal Battery is Effectuated via Coupling Single Lithium-Ion Conductor and Lithium-Ion Sieve Within Yttrium-Organic Framework

https://doi.org/10.1002/smll.202511276

科学材料站

通讯作者简介

张献明教授简介：1972年7月生，山西榆次人，教授，博导，“万人计划”首批领军人才，国家杰出青年基金获得者，“百千万人才工程”国家级人选，全国优秀博士论文获得者，洪堡学者，霍英东基金获得者,三晋学者。教育部化学专业教学指导委员会委员，中国化学会无机化学委员，中国晶体学会委员，山西省化学会副理事长。2002年11月任山西师范大学应用化学所所长，2010年3月任化学与材料科学学院院长、校长助理，2016年10月任山西师范大学党委委员，2018年11月至2020年9月任山西师范大学党委常委、副校长。2020年10月至2025年8月任太原理工大学党委常委、副校长。现任运城学院党委副书记、校长1996年山西师范大学本科毕业获学士学位、留校，1999年内蒙古大学获理学硕士学位，2002年6月获中山大学理学博士学位。2003.4-2004.5在德海德堡大学做“洪堡学者”，2003年9月破格评为教授。2004年获“全国优秀博士学位论文”奖，2005年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2007年获“山西省五一奖章”和“山西省333人才”，2008年获“中国化学会青年化学奖”并入选“山西省高等院校拔尖创新人才”。2009年获国家杰出青年科学基金资助，2010年获国务院特殊津贴。2011年，作为团队带头人获教育部创新团队。2013年入选科技部 “国家中青年科技创新领军人才”和人社部“百千万人才工程”国家级人选。2014入选中组部“万人计划”首批创新领军人才。研究兴趣涉及金属-有机框架、分子磁体、纳米团簇和非线性光学晶体，主持和参与国家杰出青年科学基金、万人计划、国家自然科学基金重大/重点/面上/青年、973子课题、教育部新世纪优秀人才基金、全国优秀博士学位论文专项基金、霍英东教育基金、山西省基金等多项国家和省部级基金，在Nat.Commun.,Sci. Adv.,J. Am. Chem. Soc, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等期刊发表研究论文180余篇，2014-2019连续六年入选“中国高被引学者”榜单。曾获国家自然科学二等奖（排名5）、山西省科学技术奖一等奖两项（排名1和4）和二等奖两项（排名1）。

沈建强副教授简介：博士，副教授，1989年出生于山西运城市。2011年于长治学院获得学士学位（化学专业），2014年于东北师范大学获得硕士学位，2017年于中山大学获得博士学位，2017至2019年在加州大学洛杉矶分校（UCLA）从事博士后，2020年6月进入山西师范大学化学与化工学院任教，2024年12月被评为副教授。主要从事从事晶体多孔材料（金属有机框架材/共价有机框架）的设计与构筑及其锂基/钠基/锌基电池性能提升中的应用研究，从事科研以来主持国家自然科学基金青年基金一项（在研）和山西省基础研究计划青年项目一项（结题并被评为优秀）；发表21篇论文，总引用次数高达2050次，H因子为16；其中一作或共一的文章11篇，包含J. Am. Chem. Soc., Sci. China Chem., Coordin. Chem. Rev., Nano Lett., Chem. Sci., Small, Chem. Commoun.和Chem. Eur. J.等国际著名杂志。