追求高能量密度和高安全性的锂金属电池（LMBs）对于开发下一代先进能源储存系统至关重要。然而，锂的不均匀沉积和不可控的锂枝晶生长使这项任务变得相当具有挑战性。传统的聚烯烃隔膜材料由于其孔隙率小、孔径分布广和热稳定性差，会产生Li+的各向异性和非均匀分布，并在极端操作条件下存在热失控的风险。因此，构建具有良好微观结构的高质量新型隔膜以满足LMBs日益增长的安全需求非常重要。
近日，青岛大学赵慧娟副教授和北京师范大学李林教授团队在期刊《Journal of Materials Chemistry A》上，发表了最新研究成果“A thermomechanically stable nanofiber separator with multiscale MOF networks towards high-efficiency ion transport”。研究者提出一种有前景的静电纺丝辅助原位自组装策略，用于构筑3D多尺度金属有机框架（MOF）网络，以实现高效离子传输。
图1：基于3D多尺度MOF网络所构建的PI@ZIF-8纳米纤维隔膜的原位自组装过程与作用机理示意图。
在本工作中，以电纺聚酰亚胺（PI）纳米纤维膜作为原始的生长基体，结合表面蚀刻方法以诱导ZIF-8纳米单元在每根PI纳米纤维上的原位自组装（图1a），从而构建出基于3D多尺度MOF网络的高性能PI@ZIF-8纳米纤维隔膜。这种设计独创性在于使沿着1D纳米纤维构建有序的MOF纳米单元成为可能，从而在微米尺度上提供连续的Li+线性路径，而MOF纳米单位内的亚纳米孔和路易斯酸位点可以作为离子筛，选择性地限制较大阴离子的运动，以加速Li+迁移（图1b）。
图2：所构建的PI@ZIF-8纳米纤维隔膜的结构表征。
通过静电纺丝技术制备得到的PAA与PI纳米纤维膜均具有交联的3D网络结构，由表面光滑的互连1D纳米纤维组成（图2a,b）。MOF纳米单元的进一步自组装导致了连续和共生的MOF壳层的形成，其中有序排列的ZIF-8完全覆盖了PI骨架，形生了1D MOF纳米纤维（图2c,d）。借助EDS-mapping、FTIR、XPS与XRD测试手段（图2e-i）对PI@ZIF-8纳米纤维隔膜的化学结构进行了系统分析，进一步证实了ZIF-8纳米单元在PI纳米纤维基体上成功自组装，构建了典型的核壳结构。
图3：所构建PI@ZIF-8纳米纤维隔膜的物性表征与离子电导性。
所构建的基于3D多尺度MOF网络结构的PI@ZIF-8纳米纤维隔膜具有优异的机械稳定性（图3a,b）、高比表面积（图3c）与出色的电解液亲和性（图3d-f），从而表现出高离子电导率（2.40 mS cm-1）（图3g）与高Li+迁移数（0.88）（图3h），表明了PI@ZIF-8纳米纤维隔膜的优异离子传输能力。
图4：基于不同隔膜的Li‖Cu电池内的电化学锂沉积/剥离行为分析。
为了更好地评估PI@ZIF-8纳米纤维隔膜在调节锂沉积行为中的作用，研究了不同沉积条件下Li‖Cu电池内锂沉积物的形态。如图4a-h所示，PI@ZIF-8纳米纤维隔膜可有效地引导均匀的锂成核，从而显示出平坦和无枝晶的锂沉积形貌。所组装的Li‖PI@ZIF-8‖Cu电池可稳定循环300圈（图4i），其阻抗值始终保持稳定（图4j），表明优越的电极-电解质界面稳定性与相容性。
图5：基于不同隔膜的LMBs的电化学性能。
随后，通过组装不同类型的LMBs研究了PI@ZIF-8纳米纤维隔膜的潜在应用性。如图5a-d所示，LFP‖PI@ZIF-8‖Li电池显示出显著提高的电化学反应动力学、倍率性能、长期循环稳定性与电极-电解质界面稳定性。基于其高的电化学稳定窗口（图5e），所装配的NCM811‖PI@ZIF-8‖Li电池表现出良好的循环稳定性（图5f）。另外，其所组装的软包电池在各种折叠状态和弯曲条件下，均可保证二极管的光发射（图5g-k），显示出该基于3D多尺度MOF网络所构建的PI@ZIF-8纳米纤维隔膜对先进LMBs的可靠性和高安全性。
论文链接：https://doi.org/10.1039/d4ta07790c
人物简介：
赵慧娟，工学博士，副教授，青岛大学特聘教授四层次，硕士生导师。青岛大学先进电化学储能材料与器件研究院核心成员，主要从事新型多孔静电纺丝纳米纤维的结构设计、可控制备与功能开发等方面的研究工作。近年来，以第一作者/通讯作者身份在Nano Lett., Energy Storage Mater., J. Mater. Chem. A., Chem. Eng. J., J. Energy. Chem.等刊物上发表SCI论文20余篇，其中ESI 0.1%热点论文2篇，ESI 1%高被引论文3篇，同时申请国家发明专利5项，获授权实用新型专利2项；曾获2021年中国纺织优秀博士学位论文，2023年江苏省科技副总项目；主持中国博士后科学基金（面上资助）1项，参与国家自然科学基金（面上项目）、国家重点研发计划与国家支撑计划等科研项目多项。
李林，北京师范大学教授，国家杰出青年基金获得者，中科院百人计划，博士生导师。主要从事高分子材料结构与性能方面的研究，尤其在高分子结晶、锂离子电池隔膜与聚合物电解质等方面取得了系列原创性的科研成果。先后承担国家重大研究计划项目、基金委重点项目、科技部863项目、国家自然科学基金（面上项目）等10余项；在Sci. Adv., Adv. Funct. Mater., Nano Lett., Energy Storage Mater., Small.等国际知名期刊上发表论文80余篇，获授权专利20余项。
