孙兵博士，王红霞教授、汪国秀教授， ACS Energy Letters 研究课题：阳离子金属有机骨架阵列可实现无枝晶锂金属阳极

锂金属具有较高的理论比容量（3,860 mAh g^-1）和低氧化还原电位（-3.04 V vs. 标准氢电极），是一种很有前途的高能量密度锂电池负极材料。然而，不受控制的锂 (Li) 枝晶生长所导致的严重安全问题阻碍了锂金属负极的实际应用。并且锂金属作为主体负极材料，还会导致较大的体积膨胀/收缩，进而导致固体电解质中间相（SEI）的崩溃。在此，我们在镍泡沫 (NF-CMOF) 上设计了阳离子金属有机骨架阵列，作为无枝晶锂金属负极的多功能集流体。CMOF 纳米片的高表面积、良好的亲锂性和带正电的特性有效促进了锂的均匀沉积。且TFSI 基团的接枝还有利于CMOF 诱导形成富含 LiF/Li₃N 的 SEI，这进一步保证了高面积容量下锂的均匀沉积。具有 Li 预沉积 NF-CMOF（Li@NF-CMOF）阳极的全电池在 1000 次循环中保持了高容量保持率，并在 10 C 下实现了增强的倍率能力。

近日，来自昆士兰科技大学的王红霞教授与悉尼科技大学的汪国秀教授合作，在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Cationic Metal−Organic Framework Arrays to Enable Dendrite-Free Lithium Metal Anodes”的研究文章。该研究文章设计了一种多功能集流体，该集流体具有在泡沫镍上原位生长的阳离子MOF阵列。

通过溶剂热法在Ni泡沫上原位生长MOF阵列。Ni泡沫的整个表面被均匀的CMOF纳米片层覆盖，平均厚度为3μm，每个MOF片的平均厚度约为50nm。通过 N2 吸附-解吸测量证CMOF 本身是具有丰富微孔和中孔的高多孔材料，比表面积可达 780 m²g^-1。纳米片之间还形成了丰富的垂直联合大孔。丰富的多孔结构限制了锂负极的体积膨胀，改善了电解质/电极接触，提供了均匀和丰富的成核位点，低了局部电流密度以及Li离子通量密度，从而保证了高面积容量下锂的均匀沉积。

使用三氟甲烷磺酰胺 (LiTFSI) 溶液将TFSI官能团均匀的接枝在MOF阵列上以获得阳离子CMOF. 接枝过程后 MOF 纳米片的形貌得到很好的保留，各S、F 和 N 元素分布均，且CMOF （15.37 mV）粉末的 zeta 电位比MOF（8.72 mV）更正。NF-CMOF 表面均匀分布的正电位将吸引电解液中的 TFSI- 阴离子均匀排列在 NF-CMOF 表面，不仅加速了锂离子的脱溶过程，而且有利于均匀的 Li⁺通量。这与COMSOL 模拟结果高度一致此外。此外，多功能集流体NF-CMOF还促进了富含LiF/Li₃N 的SEI的形成，显著提高了长期循环下锂金属负极的界面稳定性。

要点三：由LiF/Li₃N 组成的稳定SEI

带有TFSI功能基团的CMOF还有利于在锂金属负极上形成富含LiF/Li₃N 的SEI。正如研究所表明的，SEI中LiF/Li₃N 等无机成分具有高离子电导率，低电子电导率， SEI有利于快速传输Li⁺并和均匀沉积，其高杨氏模量同时还增加了SEI的机械稳定性，这都对于保持良好的界面稳定性至关重要。

总之，在镍泡沫上原位生长的阳离子 MOF 阵列多功能集流体用于锂金属负极，有望解决锂金属负极循环性能差和枝晶生长的问题。具有 Li@NF-CMOF 负极的全电池实现了 1000 次循环的高容量保持率，并在 10 C 下显着提高了倍率性能。优异的性能归功于独特的多孔 MOF 阵列结构、阳离子 MOF 的正电场和由 LiF/Li₃N  组成的稳定 SEI。这项工作取得的成果展示了一种解决锂枝晶生长难题的新策略，可用于开发高能量密度的锂金属电池。

王红霞教授简介：王红霞拥有化学（学士、硕士）和材料科学（博士：凝聚态物理）的学术背景。2005 年，她在中国科学院物理研究所获得博士学位后，曾在工业界（Dyesol Ltd）和日本静冈大学、澳大利亚和英国巴斯大学两家研究机构担任博士后研究员，之后于 2010 年在昆士兰科技大学建立自己的研究团队。在过去 15 年的职业生涯中，她的研究涵盖了染料/量子敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和使用铜锌锡硫化物 (CZTS) 的薄膜太阳能电池、超级电容器和锂硫电池等多学科领域。她的工作取得了具有高影响力的研究成果，包括在主要期刊上发表的 160 多篇高质量科学出版物、四项专利和在著名国际会议上发表的 40 多场主题演讲/受邀演讲。获得了多项著名奖学金，包括澳大利亚研究理事会 (ARC) 博士后研究员（工业）、澳大利亚研究理事会未来研究员和昆士兰科技大学校长研究员（高级）。2017 年，她荣获昆士兰州政府科学、信息技术和创新部 (DSITI) 颁发的“卓越证书”和昆士兰科技大学“校长绩效奖”，以表彰其“具有现实影响的最佳研究”。红霞目前是澳大利亚研究理事会专家学院的成员。2024年王红霞教授因研究利用分子工程使下一代钙钛矿太阳能电池更加耐用而获得了价值 3,023,860 澳元的 ARC 澳大利亚桂冠奖学金。至今已发表论文200余篇，被引用10774余次，H因子58。

汪国秀教授简介：汪国秀教授是悉尼科技大学杰出教授（2012-至今）、清洁能源技术中心主任（2010-至今）。2024年，他被授予澳大利亚研究委员会工业桂冠奖。他还是英国曼彻斯特大学皇家学会沃尔夫森客座研究员。汪教授是材料科学家和化学家。他是电池技术、材料化学、电化学和储能方面的专家。他的研究兴趣包括锂离子电池、锂空气电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器、储氢材料、石墨烯和MXenes。王教授获得了大量外部研究资助。他发表了700多篇同行评审的期刊论文，包括Nature Energy, Nature Catalysis, Nature Communications, Nature Nanotechnology, Nature Reviews Materials, J. Am. Chem. Soc，Angew Chem Int Ed、Advanced Materials、Science Advances、Nano Letters、Chemical Society Reviews、Chemical Reviews和PNAS等杂志发表过100多篇论文，并在全球发表了100多场受邀演讲。王教授的论文被引用超过65000/80000次，H指数为138/154（Web of Science/Google Scholar）。他的研究成果获得了许多奖项和认可，其中包括：2017年英国皇家化学学会会士（FRSC）；2018年国际电化学学会会士（ISE）；2020年欧洲科学院院士。他于2018-2023年连续6年被科睿唯安列为高被引研究员，并于2018年、2022年和2023年被列为化学和材料科学两个类别的高被引研究员。目前，他担任《Energy Storage Materials》（Elsevier）和《Electrochemical Energy Reviews》（Springer-Nature）的副主编。