南京大学JACS：混合配体金属有机框架修饰隔膜作为锂离子传输促进剂用于宽温域长循环锂金属电池

云深

2026-09-14

全文概要

南京大学金钟、袁帅、左景林研究团队报道了三种混合配体金属有机框架（MOFs），通过将四硫富瓦烯（TTF）基配体与苯/三甲基苯/三嗪基三 topic 连接体及稳健的锆氧（Zr6）簇整合，并利用它们功能化传统聚丙烯隔膜。所引入的TTF基功能位点被证明可作为高效离子传输通道，在分子水平上促进Li+快速迁移和均匀的Li+通量分布。与苯基和三甲基苯基连接体相比，缺电子的三嗪连接体与富氮位点的整合能更有效地与电解液中的PF6-阴离子相互作用，从而提高Li+迁移数并抑制PF6-分解，进而改善Li+浓度梯度并抑制锂枝晶生长。因此，采用MOF功能化隔膜的Li||LiFePO4和Li||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2电池表现出优异的氧化还原可逆性、倍率性能和循环稳定性。即使在-15至100°C的宽温度范围内，升级后的Li||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2电池仍能稳定循环超过500次，具有超高库仑效率和可观的容量保持率。该研究提出了一种可行且可扩展的MOF基隔膜改性策略，为开发实用化宽温域锂金属电池铺平了道路。

本文要点

1. 合成与结构：通过整合三 topic 苯/三甲基苯/三嗪基连接体和四 topic TTF基配体与稳健的Zr6簇，合理设计并合成了三种混合配体MOFs（Zr-BTB-TTF、Zr-TBTB-TTF和Zr-NBTB-TTF）。通过简便的刮刀涂布法，在原始PP隔膜两侧成功构建了先进的MOF改性层。表征证实了三种MOFs的同构框架、高结晶度以及Zr、S元素（Zr-NBTB-TTF还包含N元素）的均匀分布。

2. 催化性能（电化学性能）：受益于适当的静电相互作用，引入的TTF基功能位点可作为高效离子传输通道，有效加速Li+迁移并促进均匀的Li+通量分布。在三种三 topic 连接体中，含富氮三嗪位点的H3NBTB连接体表现出最强的阴离子捕获能力，不仅显著提高了Li+迁移数（tLi+达到0.688），还抑制了PF6-分解。采用Zr-NBTB-TTF/PP隔膜的Li||LiFePO4电池在1000次循环后容量保持率达90.2%（每次循环容量衰减0.0098%）；Li||NCM811电池在800次循环后容量保持率达87.8%（每次循环容量衰减0.015%）。

3. 机理阐释：通过¹⁹F NMR、FTIR和DFT计算证实，N- rich三嗪位点具有显著的缺电子特性，能与PF6-阴离子形成强相互作用（结合能-0.308 eV），从而有效限制PF6-迁移。XPS分析表明，MOF功能化隔膜能诱导形成以无机成分（LiF和Li2O）为主的稳定SEI层，并抑制PF6-分解，减少有害HF生成。COMSOL Multiphysics模拟进一步验证了MOF功能化隔膜能均匀化局部电流密度分布，引导均匀Li沉积。

4. 策略普适性（宽温域性能）：Zr-NBTB-TTF/PP隔膜在宽温度范围内表现出优异的耐受性。在-15°C下，Li||NCM811电池循环500次后容量保持率达89.9%（每次循环容量衰减0.020%）；在100°C下，循环500次后容量保持率达86.5%（每次循环容量衰减0.027%）。热稳定性测试表明，MOF功能化隔膜在150°C下仍保持结构完整，而原始PP隔膜则完全熔化。

文献详情

Yaoda Wang, Xiao-Cheng Zhou, Jingjie Sun, et al. Mixed-Linker Metal-Organic Frameworks Modified Separators as Li+-Transport Accelerators for Wide-Temperature and Long-Cycling Lithium Metal Batteries, J. Am. Chem. Soc. (2026) DOI: 10.1021/jacs.6c11237

全文链接

https://doi.org/10.1021/jacs.6c11237