近日，理化所绿色用能与能源材料研究中心膜材料与膜技术研究团队在高安全、高能量密度锂电池功能隔膜研究方面取得重要突破。研究团队将Zr-MOF高效吸氧材料与高导锂Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3（LATP）无机固态电解质复合，构筑兼具优异阻氧能力与高效锂离子传输特性的新型功能隔膜，解决了高压、高能量密度锂电池易析氧使电池性能劣化进而带来的安全隐患问题。相关研究以Oxygen Evolution Barrier and Lithium-Ion Transport Promotion Effects of MOF-LATP Composite Solid Electrolyte for High-Energy-Density Lithium Batteries为题在线发表于美国化学会ACS Applied Materials & Interfaces期刊。
研究团队构筑的功能隔膜氧气透过率低至 106.2 s/(in²・100mL・0.1kPa)，293 K1 Torr 环境下储氧能力可达 1.08 cc・g⁻¹；室温离子电导率1.30×10⁻³ S/cm、锂离子迁移数0.72，电化学稳定窗口拓宽至5.4 V。采用该隔膜的NCM811||石墨软包电池，1 C倍率持续过充3小时无明显产气，1 C循环100圈容量保持率90.8%；NCM811||Li扣式电池1 C循环500 圈容量保持率79.4%，单圈容量衰减仅0.053%，5C 高倍率放电容量可达153.5mAh/g。即便在5.5 V过充2.5 小时后，电池依旧能够稳定完成100 圈循环，容量保持率86.3%。Zr-MOF功能材料高效捕获正极析出氧，与隔膜负极侧PVDF-HFP协同诱导生成致密富LiF的SEI钝化膜，双重功能协同优化电极界面稳定性，同步实现“阻氧控副、高效导锂”。
该论文的第一作者和通讯作者分别是理化所研究生张嘉雯和操建华副研究员。该成果是理化所在MOF基功能隔膜方向系列攻关的最新突破。此前，该团队已在MOF材料的电池应用研究方面取得了系列进展，例如：将Co-MOF与PAN支撑纳米纤维复合材料隔膜（Electrochimica Acta, 2021, 382:138346）；以Ag-MOF改性Al₂O₃陶瓷涂层得到的极具工业化应用潜力的隔膜新品种（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022,14:13722−13732）；以Ag-MOF与无机固态电解质LATP为功能层改善锂金属电池负极界面，解决LATP中Ti⁴⁺易被金属Li还原导致功能劣化的问题，同时发现在电池工作工程中在界面生成的Ag-Li合金能明显提升Li离子的传导能力和界面的稳定性。使用以该材料制备的隔膜，不仅赋予电池在高倍率条件下循环的稳定性，而且还可以从使用过的电池中拆解回收再利用至少2次。以回收隔膜组装的电池在5C下循环500圈后容量保持率仍超过70%（Small, 2026, 22: e12376）。这些成果表明理化所团队在MOF的电池应用领域已打下了坚实的基础。相关研究得到国家重点研发计划专项资助。
不同隔膜组装软包电池在过充电过程中的原位超声检测图像（a）Celgard 2500 （b）MOF-LATP/PP/PVDF-HFP 隔膜；过充过程中不同软包电池的比容量和电压曲线（c）Celgard 2500 （d）MOF-LATP/PP/PVDF-HFP 隔膜；（e）过充后1 C下软包电池的循环性能。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.138346
https://doi.org/10.1021/acsami.2c00390
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