锂空气电池（LOBs）因其高理论能量密度被视为下一代能源存储技术的有力候选，但固态锂空气电池（SSLOBs）的商业化受限于电解质的离子电导率不足和循环稳定性欠佳。为此，研究者们探索了凝胶聚合物电解质（GPEs）和静电纺丝技术，以提升电解质的机械性能和离子电导率。同时，引入金属有机框架（MOFs）和氧化还原介质（RMs）进一步优化了离子传输和反应动力学。这些策略不仅增强了电解质的综合性能，还显著提升了SSLOBs的电化学表现，为推动其技术发展和商业化应用提供了重要方向。

近日， 郑州大学的周震教授、张彰研究员等人在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Innovative MOF linker engineering in PVDF-HFP gel electrolyte matrix for solid-state lithium-oxygen batteries”的研究型文章。该文章通过静电纺丝方法成功制造新型凝胶基电解质，在聚偏二氟乙烯-六氟丙烯 （PVDF-HFP） 基质中加入沸石咪唑框架 （ZIF-8），表现出高的锂离子转移数（0.88），以及 9.13 × 10^-4 S/cm 的室温离子电导率。

这些增强的电化学特性可归因于 ZIF-8 的结合，它促进了明确定义的锂离子传导通道，同时减少了与锂离子迁移相关的能量屏障。此外，Ir（acac） 的战略整合3作为 SSLOB 中的 RM，有助于在 3.7 V 的降低充电电位下运行，同时在 145 次充放电循环中表现出持续的电化学稳定性。该系统的一个特别突出的特点是将 ZIF-8 框架整合到 GPE 中，其中其层次结构具有双重目的：它有效地抑制了 Ir（acac）3穿梭于多方面的分子相互作用中，同时通过其有序的微孔结构促进均匀的锂电镀动力学。这些互补机制显着减弱了锂负极界面的常规降解途径。

图1：凝胶电解质的制备。

通过将ZIF-8纳米晶体均匀分散在PVDF-HFP基体中，制备了一种高性能的凝胶聚合物电解质（GPE）。研究通过X射线衍射（XRD）确认了ZIF-8的高结晶度，并利用BET分析测得其比表面积为1071.3 m²/g，孔径主要集中在1-2 nm范围内，表明其主要由微孔构成。高分辨率扫描电子显微镜（SEM）分析揭示了ZIF-8晶体的规则结构，尺寸约为500 nm，有助于构建超薄固态电解质膜，优化离子传导通道，加速锂离子传输动力学。通过对比静电纺丝法和刮刀法制备的PVDF-HFP薄膜，发现静电纺丝法能够降低残留溶剂含量，减少DMF对电解质的不利影响。XRD和拉曼光谱分析进一步证实了ZIF-8在复合电解质中的结构完整性以及PVDF-HFP的非晶化特征。ZIF-8的均匀分散和结构稳定性增强了电解质的非晶特性，其厚度为45 μm的PZIF-8电解质形成了更紧凑的凝胶结构，有利于锂离子的快速迁移。

图2：凝胶电解质的电化学性能。

在固态锂空气电池中，离子传输动力学是影响电池性能的关键因素之一。研究人员通过引入MOF连接体，显著提升了电解质的锂离子迁移数和离子电导率。实验结果显示，新型电解质的锂离子迁移数达到了0.88，室温下的离子电导率高达9.13×10⁻⁴ S cm⁻¹。这一优化不仅提高了电池的充放电效率，还减少了离子传输过程中的能量损失，为实现高性能固态锂空气电池提供了有力支持。

图3：锂对称电池的性能比较。

图4：锂氧气电池的性能比较。

通过在PVDF-HFP和PZIF-8基凝胶聚合物电解质（GPEs）中引入氧化还原介质Ir(acac)₃，显著提升了固态锂空气电池（SSLOBs）的性能。实验表明，Ir(acac)₃在GPE中能够有效促进Li₂O₂的分解动力学，优化电池的充放电特性。同时，ZIF-8的引入进一步增强了电解质的离子传输效率和氧还原反应活性，使电池在不同电流密度下展现出优异的放电容量和倍率性能。此外，PZIF-8电解质通过其独特的三维多孔结构和吸附机制，有效抑制了Ir(acac)₃的穿梭效应，显著提高了电池的循环稳定性，使其能够在145次循环后仍保持良好的性能。这些结果表明，通过MOF连接体和分子催化剂的协同作用，可以有效解决固态锂空气电池中的关键问题，为高性能固态锂空气电池的设计提供了新的思路。

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164013

人物简介：

张彰研究员简介：博士生导师，2016年毕业于南开大学材料物理与化学专业，获工学博士学位，主要研究方向为金属空气电池，固态电池。以第一作者或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.和Adv. Funct. Mater.等国际知名期刊发表论文30余篇。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目及河南省自然科学基金项目多项，长期致力于推进新能源材料在高效储能领域的应用。

周震教授简介：郑州大学化工学院院长、长江学者、享受国务院政府特殊津贴专家。主持国家重点研发计划项目课题和国家自然科学基金重点项目等研究，通过高通量计算、实验与机器学习相结合设计可再生能源存储与转化材料与系统。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.和Adv. Mater.等期刊上发表论文350余篇，被引48000余次，h-index为123。2014-2023年连续11年入围“爱思唯尔”中国高被引学者榜。2018-2024年连续七年入选“科睿唯安”全球高被引科学家。2020年入选英国皇家化学会会士(FRSC)。现为Journal of Materials Chemistry A和Green Energy & Environment等期刊副主编、Journal of Power Sources编辑以及Batteries & Supercaps和《过程工程学报》等期刊编委，中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员、中国化学会理论化学专业委员会委员、中国自然资源学会资源循环利用专业委员会委员和河南省委决策咨询委员会委员。