Journal of Power Sources观点：缺陷型铈基金属有机框架纳米棒增强聚合物电解质用于锂金属电池

第一作者：江婷婷

通讯作者：孟宪赫*，万初斌*，

单位：中国计量大学，北京科技大学，九州工业大学

与液态电解质相比，固态电解质具有高安全性、高能量密度和宽工作温度范围等优势。因此被认为是非常有吸引力的下一代电解质材料。然而，在实际应用中，聚合物电解质（PEs）由于其聚合物链结构、交联度或高结晶度等特性，面临着低室温离子电导率和有限电压窗口等技术难题。本文提出了一种创新策略，通过在MOFs中引入缺陷，增加金属位点的数量和活性，从而增强离子传导能力。这一方法通过创建额外的离子传导通道并降低PEs的结晶度（从3.8%降低至1.7%），显著提升了电解质的性能。该方法基于材料科学中的缺陷工程理念来调控性能，能够有效促进离子迁移，并有效改善锂金属与PVDF-HFP聚合物电解质之间的界面问题。

中国计量大学孟宪赫、北京科技大学万初斌和九州工业大学马廷丽团队，在国际知名期刊Journal of Power Sources上发表题为“Defective cerium-based metal-organic framework nanorod-reinforcing polymer electrolytes for lithium metal batteries”的研究文章。该文章分析了缺陷型MOFs在聚合物固态电解质之间的电化学性能，同时研究了Li⁺在缺陷型MOFs与电解质之间的离子传输机制。

由于MOFs的结构缺陷已被研究界认知，因此提出了将缺陷引入MOFs结构中作为一种改变其性能表现的方式，以实现预期的应用。缺陷的引入可以增加MOFs中的自由体积和活性位点，提高聚合物电解质（PEs）中的离子浓度，并有助于提升PEs的稳定性和电化学性能。通过研究MOFs材料的纳米粒子排列和金属离子传输路径，可以调整其微观结构和化学组成，从而改善聚合物电解质（PEs）与电极材料之间的界面相容性，有效提升PEs的离子迁移能力和电解质稳定性。因此，有通过战略性设计定制MOFs的特定结构，以实现目标性能的优化。

将CeO₂@Ce-BTC纳米棒填料均匀分布于聚偏氟乙烯-共-六氟丙烯（PVDF-HFP）聚合物基体中，形成了具有优异性能的聚合物电解质。这些填料不仅提高了锂离子的传导通道，还增强了电解质的机械性能，从而显著提升了电池的整体性能。实验表明，经过仅1wt.% CeO₂@Ce-BTC填料增强的聚合物电解质，其锂离子导电性在室温下达到2.5×10^-4 S cm^-1，且锂离子迁移数提升至0.78，扩展的电化学电压窗口超过4.5 V。此外，这种新型电解质还具备优异的阻燃性，进一步提升了电池的安全性。

Li/GPE-PVDF-HFP/LiFePO₄电池在0.5C电流密度下的初始放电容量为62.6 mAh g⁻¹，经过60次循环后容量维持在约40 mAh g⁻¹。该凝胶聚合物电解质（GPEs）的全电池（Li/GPE-CeO₂@Ce-BTC/LiFePO₄）在室温下表现出高达99%的库仑效率，并在经过100次循环后仍保持稳定的放电容量（103.8 mAh g^^-1），显示出其在高效能电池系统中的巨大潜力。

Defective cerium-based metal-organic framework nanorod-reinforcing polymer electrolytes for lithium metal batteries”