天津大学封伟《自然·通讯》：氟调制电化学界面的妙用！

锂金属电池作为一种前沿的电池技术，近年来在能源存储领域受到了广泛关注。由于其理论能量密度是传统锂离子电池的两倍，锂金属电池在电动汽车、移动电子设备等应用中能够显著延长续航能力。这种电池的轻量化设计及快速充电特性，不仅有效提升了产品的便携性和用户体验，也大幅增强了其在未来高性能电池市场的竞争力。锂金属电池的潜在应用领域十分广泛，涵盖航空航天、医疗设备以及可再生能源存储等领域，并为无人机、卫星及可穿戴设备等高要求应用提供强大的电源支持。这些优势显示出锂金属电池在未来能源解决方案中将占据重要地位，尤其是在推动绿色能源发展和实现可持续发展目标方面。然而，锂金属电池的实际应用仍面临诸多挑战。循环充放电过程中，锂金属容易形成锂枝晶，这不仅可能导致短路，而且会损害电池的整体安全性。此外，锂与电解液之间的不利副反应会导致电解液的消耗及电极阻抗的增加，从而降低电池的效率和使用寿命。

针对上述问题，天津大学封伟教授团队基于冰模板法和温和气相氟化法，成功制备了准二维氟化金属有机框架（q2D-FcMOF），旨在于锂金属表面构建人工固体电解质界面（ASEI），以实现稳健的界面保护。本研究制备了以锌（Zn）、钴（Co）、锆（Zr）和镍（Ni）四种元素作为金属节点的不同金属有机框架（MOF）材料，利用冰模板法进行了自组装，形成了均匀的二维薄片形貌。经过煅烧和温和气相氟化处理后，成功合成了四种q2D-cMOF材料，分别命名为q2D-FcZ8、q2D-FcZ67、q2D-FcU66和q2D-FcNiMOF。MOF纳米颗粒通过范德瓦尔斯力紧密结合在一起，从而有效地暴露了纳米晶体的表面，为电荷传输提供了更多的通道，并能够吸附额外的离子。由于氟气的腐蚀作用，q2D-FcMOF的形态发生了显著变化，其表面变得更加粗糙并且出现褶皱结构。蚀刻后的边缘和角落呈现出高曲率，增大了与活性物质的接触面积，从而改善了其电化学性能。

外层有机层为锂的沉积提供了充足的空间，有机金属框架均匀分散于基体中，表现出相当强的亲锂性，从而提供了大量的沉积位点，显著降低了锂成核的能量屏障，并减少了近表面锂离子的消耗，这有利于锂核的均匀形成与生长。此外，富含均匀分布氟化锂的无机层有效阻止电子穿透固体电解质界面（SEI），同时促进锂离子的快速传输。这种结构有效地协调了电子与锂离子的动力学行为，使得混合层中的金属簇得以均匀分散，促使锂离子在与锂热力学兼容的金属活性位点附近聚集。经过改性处理的锂对称电池展现出超过3600小时的超长循环寿命。即便在与商业正极材料配对、面对高负载、贫电解液以及暴露于空气等严苛条件下，电池亦展现出优异的循环性能。

该成果在国际知名期刊《Nature Communications》上发表题为“Achieving burst Li + channels via quasi-two-dimensional fluorinated metal-organic framework modulating functionalized interface”的研究性文章。孔令辰博士生为论文第一作者，封伟教授为论文通讯作者，该研究获得国家重点研发项目支持（No. 2023YFC2411901）。

来源：天津大学

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