鈉金屬電池（SMBs）因其鈉資源豐富、成本低廉等優勢，被視為鋰離子電池的理想替代品。然而，固態電解質在實際應用中仍面臨諸多挑戰，如離子電導率低、界面接觸不良以及鈉枝晶生長等問題，限制了其進一步發展。相比之下，凝膠聚合物電解質（GPE）因其優異的柔韌性和可擴展性，展現出更大的應用潛力。盡管如此，傳統凝膠聚合物電解質仍存在離子遷移率不足的缺陷，難以滿足高性能鈉金屬電池的需求。近年來，金屬有機框架（MOFs）因其可調的孔道結構和高孔隙率特性，為Na+的快速遷移提供了理想通道，從而顯著提升了離子遷移效率。因此，合理選擇MOF填料并制備適用于鈉金屬電池的MOF基凝膠電解質仍是目前研究重點。
針對上述問題，近日，陜西科技大學化學與化工學院黃文歡教授團隊設計出兩種鋅基MOF材料（AHF-PDC與AHF-BPDC），通過調控配體長度形成孔徑分別為6 ?和9 ?的一維通道。其中，BPDC@PH電解質憑借更大的孔道（9 ?）及孔壁靜電吸附特性，顯著優化了鈉離子（Na?）的擴散路徑。同時，該材料能夠選擇性吸附陰離子（TFSI?），從而將離子遷移數提升至0.87，并在35°C下實現了7.74 × 10?? S cm?1的高電導率。這一研究為開發高性能鈉金屬電池電解質提供了重要的理論依據和實驗支持。相關工作在《Advanced Functional Materials》期刊上以“Enhanced Ionic Diffusion via Refined Pillared 1D Channels for Sodium Metal Batteries”為題發表。
本文亮點：
1. 精準設計MOF孔道，實現離子高效傳輸。通過調控配體長度形成孔徑分別為6 ?和9 ?的一維通道。其中，BPDC@PH電解質憑借更大的孔道（9 ?）及孔壁靜電吸附特性，顯著優化了鈉離子（Na?）擴散路徑，并選擇性吸附陰離子（TFSI?），使離子遷移數提升至0.87，電導率達7.74 × 10?? S cm?1（35°C）。
2. 超長循環穩定性與界面優化。在1.0 mA cm?2電流密度下，鈉金屬對稱電池連續運行超1000小時無短路，全電池（NVP|BPDC@PH|Na）循環1000次后容量保持率高達98%。分子動力學模擬顯示，擴大的MOF孔道加速了NaTFSI的傳輸，促進負極表面形成富含NaF的薄層固態電解質界面（SEI），有效抑制枝晶生長。組裝的固態軟包電池在彎折、切割等極端條件下仍可穩定供電，并點亮LED燈組，展現出優異的機械安全性和商業化潛力。
PDC@PH 和 BPDC@PH 凝膠聚合物電解質的制備
精準調控柱狀 1D 通道，增強離子遷移動力學
誘導富含NaF的固態電解質界面（SEI）沉積并穩定鈉界面
NVP | MOF@PH | Na 全電池的電化學性能
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202420572
新聞小貼士：
黃文歡，在無機合成化學領域，聚焦雜化氮唑框架的設計合成及構效關系開展深入研究。擔任《EcoMat》顧問委員會成員、《Rare Metals》、《稀有金屬》中英兩刊青年編委；《Wearable Electronic》青年編委；《Tungsten》青年編委；《Rare Metal Materials and Engineering》青年編委；《Chinese Journal of Structural Chemistry 》青年編委。先后入選陜西省高校科協青年人才托舉計劃（2021）、陜西省科技新星（2022）、陜西省特支計劃-青年拔尖人才（2023）。近年來，發表論文80余篇，包括Nature Communication （1篇）、Angew Chem. Int. Ed. （2篇）、Advanced Materials（2篇）、Advanced Functional Materials（4篇）、Advanced Science（1篇）、Science China Chemistry（1篇）等，ESI高被引論文14篇，總引用4680次(單篇最高503次，7篇論文超100次引用)，論文前封面4篇，連續入選 “2023、2024年度全球前2% 頂尖科學家榜單”。
(核稿：黃文歡 編輯：劉倩）
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