Nature Nanotech.：从200圈提高到2000圈，MOF凝胶隔膜立新功！

要点1. 小分子醌类有机正极材料的溶解性

有机小分子正极材料在充放电过程中，中间产物会溶解于电解液中并造成严重的穿梭效应，但却对具体过程中的变化知之甚少。针对这一问题，研究者首次监测并量化醌类电极材料随容量和电压的质量变化规律。

传统的MOF基隔膜，一般使用高分子或无机二维材料作为粘结剂，从而达到器件化MOF材料的目的。但是粘结剂的加入，会不可避免地降低隔膜的分子/离子选择性。

研究者使用的溶胶-凝胶法，可以使金属离子和有机配体各向异性地生长并原位自组装在一起从而形成真正的MOF凝胶。相比于传统隔膜，完全由MOF材料自身构建的新型MOF凝胶隔膜，表面较为光滑，无明显空隙，可以进一步提高选择分离效率。

图3. MOF凝胶隔膜的制备过程和材料表征。

要点3. 锂-有机电池的电化学性能

为了研究MOF凝胶隔膜在锂-有机电池中的作用，研究者在锂-有机电池中对比采用传统的Celgard隔膜和MOF凝胶隔膜。相较于传统功能性隔膜，MOF凝胶隔膜，可以进一步提高分子/离子选择性，有效地提高选择透过性，并有效地抑制中间产物的穿梭效应，将有机二次电池的循环稳定性从目前的100~200圈提高到2000圈，提升了10~20倍，库伦效应保持在99%以上，单圈容量损失降至~0.008%，进一步提高电池的循环稳定性。并成功将该隔膜应用于其他醌类有机正极材料中，实现了相关可逆二次电池体系的大容量、超长稳定循环。

图4. MOF凝胶隔膜在锂-有机电池中的电化学性能。

要点4. 对锂金属负极的影响

通过SEM观测锂负极在循环完后的情况。使用传统Celgard隔膜的有机电池，在30 mAh/g，循环50圈的条件下，锂金属负极表面生长有大量裂缝和空隙。通过EDS元素分布图，SEI层较厚，约为90 μm（图4a-d）。

而在使用MOF凝胶隔膜的电池中，有机中间产物的穿梭效应对锂金属负极的影响受到了明显地抑制。在使用MOF凝胶隔膜，30 mAh/g电流密度，循环100圈的条件下，SEI层仅约为18 μm（图4e-f）；在300 mAh/g，循环1000圈的条件下，SEI层仅约为30 μm。

图5. 表征锂金属负极在使用MOF凝胶隔膜/Celgard隔膜中形成的SEI。

小结
综上所述，研究者首次报导了具有高选择透过性MOF凝胶隔膜，并成功应用在锂-有机电池中。一系列实验表明MOF的超微孔结构，能够作为分子/离子筛，有效阻碍有机中间产物的传输，从而实现具有高容量，高库伦效应，长循环寿命等特性的新一代有机电池。该研究对MOF基隔膜在电池的进一步发展有重要意义，并充分展示了MOF的超微孔结构在电池体系中的应用潜力。

参考文献：
Songyan, Bai., Kisuk Kang et al. Permselective metal–organic framework gel membrane enables long-life cycling of rechargeable organic batteries. Nat. Nanotechnol. (2020).
https://doi.org/10.1038/s41565-020-00788-x

文章来源于： 纳米人
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