文章背景

文章的研究背景聚焦于锂金属电池（ＬＭＢｓ）在实际应用中面临的核心挑战：快充条件下锂枝晶生长和界面不稳定性问题。锂金属阳极虽具有超高理论容量（３８６０　ｍＡｈ　ｇ⁻¹）和最低氧化还原电位（－３．０４　Ｖ　ｖｓ．　ＳＨＥ），但传统聚烯烃隔膜（如ＰＰ／ＰＥ）因离子电导率低、电解液润湿性差，导致Ｌｉ⁺通量不均，加剧枝晶形成和固态电解质界面（ＳＥＩ）降解。此外，高电流密度下阴离子（如ＴＦＳＩ⁻）迁移引发的空间电荷效应进一步恶化电池性能。为此，研究提出通过晶面工程调控金属有机框架（ＭＯＦ）材料ＺＩＦ－８的（１１０）晶面，利用其配位不饱和Ｚｎ²⁺位点选择性锚定阴离子，优化Ｌｉ⁺传输路径并抑制枝晶，从而提升快充稳定性。这一策略为开发高能量密度、长循环寿命的ＬＭＢｓ提供了新思路。

主要研究内容

这篇文章主要研究了通过晶面工程调控的阴离子调节策略，以提升锂金属电池（ＬＭＢｓ）在快速充电条件下的稳定性。研究团队设计了一种基于沸石咪唑酯骨架－８（ＺＩＦ－８）的隔膜，优先暴露（１１０）晶面，利用其不饱和的Ｚｎ²⁺位点作为路易斯酸位点，选择性锚定双（三氟甲磺酰）亚胺阴离子（ＴＦＳＩ⁻），从而调控锂离子（Ｌｉ⁺）的定向传输并抑制锂枝晶的形成。同时，ＺＩＦ－８的微孔框架提供了空间限制，降低了局部电流密度，增强了界面稳定性。

实验结果表明，这种工程隔膜在Ｌｉ｜｜Ｃｕ半电池中实现了超过１４００次循环的稳定运行（２　ｍＡ　ｃｍ⁻²，１　ｍＡｈ　ｃｍ⁻²），平均库仑效率达到９８．７％。在全电池配置中，ＬｉＦｅＰＯ₄（ＬＦＰ）电池在５　Ｃ倍率下循环３０００次后仍保持９９．９％的库仑效率，而高负载Ｌｉ｜｜ＬｉＮｉ₀．₈Ｃｏ₀．₁Ｍｎ₀．₁Ｏ₂（ＮＣＭ８１１，１２．３０　ｍｇ　ｃｍ⁻²）电池在１３５次循环后容量保持率为８４．４％。此外，高负载ＬＦＰ软包电池（１９．９２　ｍｇ　ｃｍ⁻²）也表现出１７０次循环的稳定性能。

通过理论计算和实验验证，研究发现ＺＩＦ－８（１１０）晶面具有更强的ＴＦＳＩ⁻吸附能力（吸附能为－０．５０　ｅＶ），并促进了Ｌｉ⁺的快速传输（Ｌｉ⁺迁移数为０．７３２）。这种晶面依赖的阴离子调节机制有效抑制了空间电荷积累，实现了均匀的锂沉积。研究还通过原位电化学数字全息术（ＥＤＨ）和光学显微镜观察，证实了ＺＩＦ－８（１１０）隔膜在抑制锂枝晶方面的优越性。

总之，这项研究为开发高性能、快速充电的锂金属电池提供了一种可扩展的策略，并强调了晶面工程在隔膜设计中的重要性。

文章结论

文中工作开发了一种基于ＺＩＦ－８材料的晶面工程化阴离子锚定隔膜，其优先暴露（１１０）晶面，为解决锂金属电池长期存在的技术难题提供了极具吸引力的解决方案。该隔膜中（１１０）晶面的配位不饱和Ｚｎ２＋金属中心作为路易斯酸位点，可选择性吸附ＴＦＳＩ−阴离子，从而引导均匀的Ｌｉ＋通量并有效抑制枝晶形成。同时，ＺＩＦ－８材料的天然微孔结构为锂原子成核提供了空间限制，既降低了局部电流密度，又显著提升了锂电极充放电过程的可逆性。

采用ＺＩＦ－８（１１０）隔膜的锂｜｜铜半电池在２　ｍＡ　ｃｍ−２电流密度和１　ｍＡｈ　ｃｍ−２容量下，可实现超过１４００次稳定循环，平均库仑效率高达９８．７％。更值得关注的是，聚丙烯／ＺＩＦ－８（１１０）隔膜展现出优异的兼容性，能适配多种不同阴极材料体系。

在锂磷酸铁电池（ＬＦＰ）中，该材料在５Ｃ倍率下经过３０００次循环仍保持９９．９％的库仑效率，展现出卓越的快速充电性能。在高电压Ｌｉ｜｜ＮＣＭ８１１电池中，当阴极负载量高达１２．３０　ｍｇ　ｃｍ−２时，经过１３５次循环仍保持８４．４％的容量保持率，充分验证了其在高能量密度系统中的应用潜力。此外，采用１９．９２　ｍｇ　ｃｍ−２高面载量的实用型Ｌｉ｜｜ＬＦＰ软包电池，在超过１７０次循环中仍保持优异的循环稳定性。综合来看，这些研究成果确立了基于晶面工程的ＭＯＦ隔膜——尤其是ＺＩＦ－８（１１０）——作为安全、快速充电且能量密度高的锂金属电池（ＬＭＢ）的多功能可扩展平台，为下一代界面调控材料的理性设计提供了关键理论依据。

主要图文