導讀

在碳中和大背景下，新能源汽車在中國得到了高速發展。對于新能源汽車而言，核心組成部分之一就是其動力來源——鋰電池，而鋰電池的壽命在很大程度上決定了新能源汽車的使用壽命，如何延長鋰電池壽命也就成為大家關注的重點。近期，加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）盧云峰教授課題組設計提出一種基于高熱穩定的二維有機金屬框架（MOF）材料，作為電解液的全能調控劑。研究表明，MOF能夠有效吸附陰離子、富集電解液、大大提升鋰離子電導率。并且，這種電解液調控劑在電場作用下能夠植入在電極表面，形成低電荷轉移阻抗的界面同時抵抗濃差極化，避免電解液在電極表面耗盡的發生。該研究成果發表在國際頂尖期刊Advanced Materials上。島津上海分析中心劉仁威博士使用掃描探針顯微鏡SPM-9700HT，完成了嵌有電解液調控劑鋰金屬表面的彈性模量的測量工作。

研究成果快覽

在鋰電池中，由于電解液的傳質過程（濃差極化和離子電阻引起的歐姆極化）引起的極化可能占總極化的近一半。此外，普遍存在的濃差極化可能導致電解液耗盡和副反應加劇，這進一步加劇了活化極化，縮短了電池的壽命。在這種情況下，減輕電解質的極化對車輛使用的電池和運輸車隊的電氣化至關重要。然而，目前的大多數策略未能以協同的方式緩解這些極化現象。

基于此，該工作提出了一個使用二維MOF作為電解液調控劑（簡稱MEM）的全方位的解決方案(圖2(a-b))。在電解液中的離子傳輸方面，從圖2(c)可知，在商業電解液中加入極低濃度（0.2 wt%）的MEM可以有效提高其鋰離子遷移數tLi+（0.76，一般商用電解液普遍低于0.5），同時基本保持其離子電導率（高達9 mS cm-1）。在電解液界面方面，經證明，若電解液中的陰離子可以被MOF金屬陽離子中心固定，同時鋰離子可以在固體電解質膜表面自由移動，一個局部電場將被建立，以有效地吸引周圍的鋰離子并抑制濃差極化。這種電場調控策略也可被沿用于金屬電池，因為濃差極化是導致枝晶生長的一個主要原因。在商業軟包電池測試中，MEM調控劑可以大大延長電池的壽命，從350次延長至3000次（2C），并在模仿電動車的真實充放電條件下，展現出了優異的功率輸出、能源效率和循環壽命等性能。

圖2 基于二維MOF的電解液調控劑(MEM)創新亮點

（a）調控劑作用機制示意圖；（b）調控劑提升多種電解液中鋰離子電導率（LFS: LiTFSI in DOL/DME；LPF: LiPF6 in EC/DEC；LBF: LiBF4 in PC）；（c）調控劑顯著降低了電解液-鋰電極界面阻抗的活化能，即加速界面電荷轉移。

文中采用島津掃描探針顯微鏡SPM-9700HT表征了基于MEM電解液的鋰金屬對稱電池充放電后，在鋰金屬表面的SEI膜（圖3 (a-c)，SEM）的機械強度。圖3 (a-c)表明在存在MEM時，經過25次循環后所形成的界面相對不致密，并均勻地結合了 MEM 顆粒。由圖3 (d)可以看到，鋰金屬表面的SEI膜的彈性模量為23.472 GPa，遠高于使用普通商用電解液形成的SEI（通常在0.63 GPa左右），也高于6.0 GPa的鋰枝晶閾值。表明嵌入鋰金屬電極表面的MEM調控劑電極和電解質界面的片層狀形貌和高的機械性能，能有效抑制鋰枝晶的生長。

圖3 電解液調控劑與鋰金屬電極循環后的界面表征。

（a-c）掃描電子顯微鏡 (SEM)照片；（d）嵌有電解液調控劑鋰金屬表面的彈性模量（SPM表征）

島津SPM,科研好幫手

專家心聲

文章通訊作者沈力博士表示：“本文首次提出了一種基于二維MOF作為電解液調控劑全方位抑制電池中極化現象的解決方案。為了探究金屬鋰在電化學沉積過程中的枝晶生長行為以及形成的電極-電解質界面的機械強度，分別采用SPM的動態模式以及納米力學測量軟件表征了電池循環后的鋰負極表面形成的界面以及彈性模量。本工作是在島津公司上海分析中心劉仁威博士的幫助下進行的，非常感謝島津分析中心提供的大力幫助，希望以后還能有更多的機會繼續與島津合作，從而取得更多成果?！?/p>

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