文章导读
锂金属电池为何难以实现安全快充？西安交大郗凯教授团队揭开关键瓶颈——传统隔膜导致离子传输不均与锂枝晶失控生长。他们创新性地利用暴露（110）晶面的ZIF-8构建功能隔膜，通过晶面工程实现阴离子选择性锚定，显著提升离子均匀性和界面稳定性。实验证明，新隔膜可支持电池稳定循环超1400次，库仑效率达98.7%，且在5C快充下循环3000次仍保持近乎100%效率。这项发表于《德国应用化学》的研究，为下一代高能电池商业化提供了重要路径。
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锂金属电池因其超高能量密度和高输出电压，被视为下一代高能量密度电池的理想选择，在电动汽车、便携式电子设备和可再生能源存储等领域展现出广阔应用前景。然而，其实际应用仍受到离子传输缓慢和不可控枝晶生长的严重制约，尤其在快速充电条件下问题更为突出。
隔膜作为电池的核心组件，不仅承担防止短路的作用，还直接决定锂离子传输的均匀性与界面稳定性。传统聚烯烃隔膜（如PP、PE）因离子电导率低、电解液润湿性差和热稳定性不足，往往导致离子迁移不均和浓差极化加剧，从而诱发锂沉积不均。为突破瓶颈，功能化隔膜的设计受到广泛关注。其中，金属有机框架（MOFs）凭借可调控的孔道结构、高比表面积和多样的配位环境展现出独特优势。不同晶面、边缘和顶点的原子排布及电子结构显著影响其与电解液中锂离子及阴离子的相互作用。然而，目前关于MOFs基隔膜的结构-功能关系仍缺乏系统理解，尤其是不同晶面暴露对离子传输和界面动力学机制的调控作用尚未得到深入揭示，开放金属位点与微孔网络在锂离子脱溶剂化及离子筛分中的作用机制亟待阐明。
针对上述难题，西安交通大学化学学院郗凯教授团队聚焦锂金属电池的界面调控与离子传输优化，致力于开发高性能隔膜材料以提升电池的快充能力和循环稳定性。研究团队选择暴露（110）晶面的ZIF-8作为电荷选择性离子筛分中心，利用其表面不饱和的锌位点作为路易斯酸位点，选择性锚定TFSI–阴离子。同时，ZIF-8的微孔结构提供了空间限制，降低了局部电流密度，增强了界面稳定性。实验结果表明，采用该隔膜的锂金属电池在2 mA cm⁻²和1 mAh cm⁻²条件下实现了超过1400次的稳定循环，平均库仑效率高达98.7%。此外，在高负载条件下，锂铁磷酸盐（LiFePO4）电池在5 C倍率下循环3000次后仍保持99.9%的库仑效率，展现了优异的快充性能。
相关成果以《晶面工程调控复合隔膜实现选择性离子筛分 助力锂金属电池稳定快充》（“Crystal Facet–Engineered Anion Regulation Enables Fast–Charging Stability in Lithium Metal Batteries”） 为题，发表在国际著名期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition) 。西安交通大学化学学院为第一通讯单位，博士生刘春丽为论文第一作者，郗凯教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、秦创原高层次创新创业人才项目资助，并获得了西安交通大学国家储能技术产教融合创新平台和西安交通大学分析测试中心在测试表征方面的支持。
论文链接地址：https://doi.org/10.1002/anie.202512742
郗凯教授课题组主页：https://x-group-site.webflow.io/
郗凯教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/0020210390
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