研究揭示金屬有機框架隔膜性能的新機制

近日，中國科學院廣州能源研究所研究員曹晏團隊在國家自然科學基金、廣西壯族自治區重點研發計劃等項目的資助下，研究揭示了一種雙極性功能協同調控金屬有機框架隔膜性能的新機制。相關成果發表于《美國化學學會·納米》（ACS Nano）。

論文第一作者、中國科學院廣州能源研究所博士研究生呂佳澤表示，鈉金屬電池因其豐富的資源儲量、較低原材料成本以及高達1165 mAh g^-1的理論比容量，被廣泛認為是鋰離子電池的潛在替代技術。

在此背景下，隔膜作為關鍵界面結構，承擔著引導鈉離子通量、維持電解液分布均勻性及抑制枝晶穿透的重要功能，其性能優劣對電池整體運行穩定性具有決定性影響。傳統的玻璃纖維隔膜孔徑無序、電解液浸潤性差，導致鈉金屬沉積不均勻。

本研究圍繞鈉金屬電池中界面不穩定與離子遷移受限的核心挑戰，提出并構建了一種雙極性功能團（-F與-SO₃H）協同修飾的UFS2@GF隔膜。該隔膜在結構層面實現了對鈉離子脫溶劑化、遷移動力學和成核行為的多重調控，在界面層面誘導形成富無機組分的穩定固體電解質界面，顯著抑制枝晶生長與副反應，整體提升了電化學性能與循環穩定性。離散傅立葉變換進一步揭示了金屬有機框架骨架對鈉離子吸附與遷移路徑的本征調控機制，為實驗結果提供了理論支撐。

該研究證實，經過精確調控的具有雙極性官能團UIO-66金屬有機框架與隔膜相復合可顯著提升鈉金屬電池的循環壽命，在10C高倍率測試中表現出超2000次循環的超高穩定性。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c04051