清华王海辉&华南理工王素清，最新AM！5.1微米超薄电解质！

第一作者：Yangxi Liu

通讯作者：王素清，王海辉

通讯单位：华南理工大学，清华大学

论文速览

具有抑制枝晶特性的超薄准固态电解质（QSE）是实现高能量密度准固态锂金属电池(LMBs)的必要条件。

研究人员提出了一种新型的5.1微米厚的刚性准固态电解质（QSE），旨在提高锂金属电池（LMBs）的能量密度。通过在阴极上直接设计并构建了一种由Kevlar（聚对苯二甲酸乙二醇酯）纳米纤维（KANFs）和金属有机框架（MOF）粒子构成的刚性骨架，以及选用非易燃的深共熔溶剂（DES）作为离子传输载体，并通过原位聚合完成安全电解质系统的构建。该电解质层具有高刚性（5.4 GPa）、高离子导电性（室温下0.73 mS cm⁻¹）、良好的离子调节性能和改善的结构稳定性，有助于均匀化锂离子通量、实现出色的枝晶抑制和延长循环性能。此外，通过密度泛函理论（DFT）计算，证实了KANFs桥接MOFs作为宿主在锂离子的自由态和快速扩散动力学中发挥了关键作用。该工作为构建具有新颖离子传导模式的超薄坚固电解质提供了一种有效的策略。

图文导读

图1：阴极支撑的UiO-66@KANF层的配置示意图，KANFs的透射电子显微镜（TEM）图像及其直径分布，KANFs/DMSO分散体的zeta电位，UiO-66@KANF的TEM图像，UiO-66@KANF和KANFs的高分辨率XPS谱图，UiO-66@KANF和KANF的傅里叶变换红外光谱（FTIR）图，以及UiO-66@KANF的氮气吸附-脱附等温线和孔径分布。

图2：UiO-66@KANF层在阴极板基底上的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像，LFP阴极基底和UiO-66@KANF层的顶面SEM图像，UiO-66@KANF层在阴极板基底上的横截面能量色散谱（EDS）映射，UiO66@KANF层和UiO-66层在纳米压痕测试下的载荷-位移曲线，UiO-66@KANF层在燃烧测试前后的光学图像。

图3：UiO-66@KANF分散在NMA中的zeta电位，UiO66@KANF/DES和DES的固态⁷Li CP/MAS核磁共振（NMR）谱，UiO-66层基和UiO66@KANF层基QSE的离子电导率阿伦尼乌斯曲线，离子电导率和活化能的比较，Li-NMP-TFSI溶剂化结构的静电势（ESP）图，UiO-66和UiO-66@KANF中Li-NMA-TFSI解离的结构和能量变化，以及LMB中UiO-66@KANF层的锂沉积路径。

图4：基于UiO-66@KANF层和UiO-66层的LMBs在30°C时的电化学性能，包括Li||LFP电池的倍率性能、与3D框架混合PEs的倍率性能比较、1C和3C倍率下的循环性能、不同循环次数后电池的Nyquist图、循环后从Li||LFP电池中收集的锂金属阳极的横截面和顶面SEM图像。

总结展望

该工作通过使用Kevlar纳米纤维（KANFs）和金属有机框架（MOF）构建的5微米厚的电解质层，制备了一种具有互联纳米网络的刚性准固态电解质（QSE）。该电解质层具有高弹性模量（5.4 GPa），展现出优异的抵抗锂枝晶的能力。实验结果和理论计算表明，UiO-66@KANF内部具有能量上有利的锂离子传输通道，提供了强的锂配位作用和增强的盐解离动力学。负电荷表面、互联的3D纳米通道和超低阻抗确保了电解质具有显著的锂离子传输性能（σ=0.73 mS cm⁻¹; tLi+=0.84）和超低的离子迁移活化能（0.0422 eV）。这些独特属性赋予了LMBs小的内阻和循环稳定性。Li| UiO-66@KANF层|LFP电池在4C时保持了高可逆比容量（128.7 mAh g⁻¹）。QSE中锂离子传输动力学的增强和均匀离子通量的能力，使得电池能够长期循环。设计的超薄QSE具有先进的纳米网络拓扑结构，非常有利于提高电池的循环稳定性和所需的安全性。

文献信息

标题：5.1 μm Ion-Regulated Rigid Quasi-Solid Electrolyte Constructed by Bridging Fast Li-Ion Transfer Channels for Lithium Metal Batteries

期刊：Advanced Materials

DOI：10.1002/adma.202401837

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