隨著電動(dòng)汽車(chē)和大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，全固態(tài)鋰電池（All-Solid-State Lithium Batteries, ASSLBs）因其更高的能量密度和優(yōu)越的安全性能，成為電池技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池，全固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)，能夠有效防止電解液泄漏和燃燒，提高電池的整體安全性。然而，實(shí)現(xiàn)高性能全固態(tài)電池的關(guān)鍵在于開(kāi)發(fā)具有高離子電導(dǎo)率、寬電化學(xué)窗口以及良好界面兼容性的固態(tài)電解質(zhì)。

聚合物電解質(zhì)（如聚乙烯氧化物，PEO）因其良好的加工性和柔韌性，成為研究的重點(diǎn)。然而，純聚合物電解質(zhì)在室溫下的離子電導(dǎo)率較低，且在高電壓下的化學(xué)穩(wěn)定性不足，限制了其在高能量密度電池中的應(yīng)用。為了克服這些挑戰(zhàn)，研究者們嘗試將金屬有機(jī)框架（MOF）材料引入聚合物電解質(zhì)體系，以利用MOF的高比表面積和可調(diào)孔徑，構(gòu)建更高效的離子傳輸通道。

本文研究了一種MOF-808/PEO復(fù)合聚合物電解質(zhì)，通過(guò)引入MOF-808顆粒，不僅顯著提升了聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率，還擴(kuò)展了其電化學(xué)窗口至4.8V。這種復(fù)合電解質(zhì)在60℃下表現(xiàn)出9.7×10??S/cm的離子電導(dǎo)率，是傳統(tǒng)純PEO電解質(zhì)的20倍，為全固態(tài)鋰電池的高性能應(yīng)用提供了新的解決方案。本文將詳細(xì)探討MOF-808在復(fù)合聚合物電解質(zhì)中的作用機(jī)制、結(jié)構(gòu)特性以及其對(duì)電池性能的提升效果。

1、MOF-808的合成與特性

1.1 CPE 膜的制備方法

將MOF-808顆粒均勻分散于聚乙烯氧化物（PEO）和鋰雙（三氟甲磺酰）亞胺（LiTFSI）體系中，采用溶液澆鑄法制備了MOF-808/PEO-LiTFSI復(fù)合膜。通過(guò)優(yōu)化配方以及合成工藝，確保MOF-808在聚合物基體中的均勻分布，避免了顆粒團(tuán)聚和相分離。最終得到的CPE膜在厚度和均勻性上均達(dá)到工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，適用于全固態(tài)電池的組裝。

1.2 結(jié)構(gòu)與形貌表征

X射線衍射（XRD）分析顯示，MOF-808的引入顯著削弱了PEO的結(jié)晶峰，說(shuō)明MOF-808有效抑制了PEO鏈的有序排列，促進(jìn)了聚合物基體的無(wú)定形化。此外，掃描電子顯微鏡（SEM）圖像表明，復(fù)合膜中MOF-808顆粒均勻分散，未見(jiàn)明顯團(tuán)聚，且聚合物鏈與MOF-808表面緊密結(jié)合，形成穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)。透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)一步揭示了MOF-808內(nèi)部的孔道結(jié)構(gòu)與聚合物鏈的相互嵌入，確保了離子在多孔網(wǎng)絡(luò)中的高效傳輸。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(a)CPE膜中微觀結(jié)構(gòu)和 Li離子遷移的示意圖。制備的MOF-808顆粒的XRD圖案 (b)、SEM圖像(c)和孔徑分布圖(d)。

2、復(fù)合聚合物電解質(zhì)（CPE）膜的制備與結(jié)構(gòu)

2.1 CPE 膜的制備方法

將MOF-808顆粒均勻分散于聚乙烯氧化物（PEO）和鋰雙（三氟甲磺酰）亞胺（LiTFSI）體系中，采用溶液澆鑄法制備了MOF-808/PEO-LiTFSI復(fù)合膜。通過(guò)優(yōu)化球磨時(shí)間和退火溫度，確保MOF-808在聚合物基體中的均勻分布，避免了顆粒團(tuán)聚和相分離。最終得到的CPE膜在厚度和均勻性上均達(dá)到工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，適用于全固態(tài)電池的組裝。

2.2 結(jié)構(gòu)與形貌表征

X射線衍射（XRD）分析顯示，MOF-808的引入顯著削弱了PEO的結(jié)晶峰，說(shuō)明MOF-808有效抑制了PEO鏈的有序排列，促進(jìn)了聚合物基體的無(wú)定形化。此外，掃描電子顯微鏡（SEM）圖像表明，復(fù)合膜中MOF-808顆粒均勻分散，未見(jiàn)明顯團(tuán)聚，且聚合物鏈與MOF-808表面緊密結(jié)合，形成穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)。透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)一步揭示了MOF-808內(nèi)部的孔道結(jié)構(gòu)與聚合物鏈的相互嵌入，確保了離子在多孔網(wǎng)絡(luò)中的高效傳輸。

3、離子導(dǎo)電機(jī)理與熱穩(wěn)定性

3.1 離子導(dǎo)電率提升機(jī)制

通過(guò)交流阻抗譜（EIS）測(cè)試，研究發(fā)現(xiàn)MOF-808/PEO-LiTFSI復(fù)合膜在60℃下的離子電導(dǎo)率達(dá)到了9.7×10??S/cm，相比純PEO-LiTFSI膜提升了20倍。這一顯著提升歸因于MOF-808的多孔結(jié)構(gòu)為鋰離子提供了額外的遷移通道，同時(shí)其表面的Lewis酸性位點(diǎn)有效促進(jìn)了LiTFSI的離子解離，增加了自由鋰離子濃度。此外，MOF-808的引入還抑制了PEO的結(jié)晶化，進(jìn)一步提升了離子傳導(dǎo)的連續(xù)性和有效性。

3.2 熱穩(wěn)定性分析

差示掃描量熱（DSC）和熱重分析（TGA）表明，MOF-808的摻入顯著提高了復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性。復(fù)合膜在300℃以上仍能保持結(jié)構(gòu)完整，顯示出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，適應(yīng)高溫工作環(huán)境的需求。同時(shí)，MOF-808的引入延遲了PEO的分解溫度，增強(qiáng)了整體材料的耐熱性能，為全固態(tài)電池在高溫條件下的安全運(yùn)行提供了保障。

4、全固態(tài)電池性能測(cè)試

4.1 電池組裝與循環(huán)性能

研究團(tuán)隊(duì)將MOF-808/PEO-LiTFSI復(fù)合膜應(yīng)用于LFP|CPE|Li和NCM811|CPE|Li全固態(tài)電池的組裝與測(cè)試。在0.5C的放電倍率下，LFP電池初始容量為140mAh/g，經(jīng)過(guò)100周循環(huán)后，容量保持率達(dá)到了93.5%，明顯優(yōu)于純PEO電解質(zhì)的性能。對(duì)于高鎳正極NCM811電池，復(fù)合膜在4.3V高壓下仍能保持84.7%的容量，顯示出優(yōu)秀的高電壓穩(wěn)定性和長(zhǎng)循環(huán)壽命。

4.2 高電壓與倍率性能

在5V的高電壓窗口下，MOF-808/PEO-LiTFSI復(fù)合膜電池展現(xiàn)出擴(kuò)展的電化學(xué)窗口，并在高倍率（2C及以上）下依然維持較高的放電容量和低極化。這表明復(fù)合膜不僅在常規(guī)工作條件下表現(xiàn)出色，在極端操作條件下也能保持穩(wěn)定的電化學(xué)性能，適應(yīng)高功率應(yīng)用需求。

5、成本與工業(yè)化潛力

5.1 材料成本分析

與傳統(tǒng)的固態(tài)電解質(zhì)相比，MOF-808/PEO-LiTFSI復(fù)合膜的材料成本顯著降低。通過(guò)采用低成本的PEO和LiTFSI，并利用相對(duì)廉價(jià)的ZrCl?和BTC合成MOF-808，整個(gè)電解質(zhì)體系的單位成本得到了有效控制。此外，復(fù)合膜的制備工藝簡(jiǎn)單，可大規(guī)模生產(chǎn)，進(jìn)一步提升了其在商業(yè)化應(yīng)用中的競(jìng)爭(zhēng)力。

5.2 工藝放大與設(shè)備需求

該復(fù)合電解質(zhì)的制備流程主要包括溶液澆鑄和低溫退火，與現(xiàn)有聚合物電解質(zhì)的生產(chǎn)工藝高度兼容，無(wú)需額外復(fù)雜設(shè)備。高能球磨和常規(guī)退火設(shè)備即可滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)需求，具備良好的工業(yè)化放大潛力。此外，MOF-808的引入為電解質(zhì)的功能化提供了更多可能，未來(lái)可通過(guò)調(diào)整MOF的種類(lèi)和摻雜比例，進(jìn)一步優(yōu)化電解質(zhì)性能，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。