玻璃态金属有机框架涂层策略，实现前所未有的快速充电性能

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据EurekAlert! AAAS报道，玻璃态金属有机框架材料有利增强锂离子脱溶和传输的协同效应，可用于快速充电电池。

电池如何实现超快速充电？锂离子电池为电动汽车等各种设备提供动力，但其广泛应用却受到一个关键限制：充电速度慢。瓶颈主要在于石墨负极。在快速充电过程中，锂离子在进入负极材料之前，难以足够快地脱离溶剂分子（这一过程称为去溶剂化）。这会导致金属锂沉积和不稳定的固体电解质界面（SEI）的形成，从而造成容量快速衰减和严重的安全隐患。

传统的解决方案，例如高浓度电解液或传统表面涂层，只能提供部分解决方案，而且往往会牺牲倍率性能、成本或生产规模。一种能够同时加速离子去溶剂化并确保离子快速、稳定地传输到石墨的材料，仍然是一个重大挑战。

一种用于快速离子传输的玻璃纳米筛

为了应对这一挑战，由中南大学常智教授和南京大学周豪慎教授领导的研究团队开发了一种变革性的涂层策略，该策略利用玻璃态金属有机框架（MOF）。常智教授解释说：“关键在于设计一种能够分阶段发挥作用的涂层——首先作为选择性的‘守门人’，然后作为锂离子的‘高速公路’。”他们的研究成果发表在《国家科学评论》（National Science Review）上，展示了一种均匀涂覆的石墨负极（玻璃@石墨），该负极实现了前所未有的快速充电性能。

这项突破在于涂层的动态演变。最初，涂层以超薄（约5纳米）连续玻璃层的形式存在，在首次放电循环中会转变为独特的双层结构。外层是刚性绝缘的MOF玻璃，具有精确设计的2.93埃宽的孔隙。这些亚纳米级通道如同分子筛，强制剥离锂离子上的溶剂分子（预脱溶剂化），并创造高浓度的离子环境，从而促进形成坚固的、富含LiF的SEI膜。

与此同时，在石墨表面形成一层富含Li₃P的内层。“Li₃P是一种优异的锂离子导体，”常教授指出，“这一层起到离子加速器的作用，使部分脱溶的较小锂离子能够超快地扩散到石墨内部。”这种协同设计——将缓慢的脱溶步骤与后续的传输步骤解耦——是其核心创新点。

真实电池中前所未有的性能

电化学测试结果令人瞩目。在半电池测试中，玻璃@石墨负极在5C超高倍率下仍保持超过250mAh/g的高容量，性能比裸石墨负极高出五倍以上。更重要的是，在与商用NCM-811正极搭配的实际全电池中，该电池展现出卓越的稳定性，即使在严苛的4C快充条件下循环1000次后，仍能保持88%的容量。

为了验证该技术的实际应用性，研究团队制造了一款2.36 Ah的软包电池。该电池实现了283 Wh/kg的高能量密度，并在300次循环后仍保持了80%以上的容量，凸显了该技术的商业可行性。后续分析显示，电池表面清洁，无枝晶，且晶体结构稳定，证实了该涂层在长期循环过程中能够有效保护电池。

快速充电电池的前景

这种玻璃态金属有机框架（MOF）涂层策略为石墨负极中长期存在的去溶剂化-传输权衡问题提供了一种根本性的解决方案。其低温、可规模化的合成工艺使其极具工业应用潜力。通过构建能够以纳米级精度控制离子流的智能界面，这项工作为开发兼具超快充电速度和长使用寿命的下一代锂离子电池铺平了一条清晰而充满希望的道路。