玻璃態金屬有機框架涂層策略，實現前所未有的快速充電性能

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據EurekAlert! AAAS報道，玻璃態金屬有機框架材料有利增強鋰離子脫溶和傳輸的協同效應，可用于快速充電電池。

電池如何實現超快速充電？鋰離子電池為電動汽車等各種設備提供動力，但其廣泛應用卻受到一個關鍵限制：充電速度慢。瓶頸主要在于石墨負極。在快速充電過程中，鋰離子在進入負極材料之前，難以足夠快地脫離溶劑分子（這一過程稱為去溶劑化）。這會導致金屬鋰沉積和不穩定的固體電解質界面（SEI）的形成，從而造成容量快速衰減和嚴重的安全隱患。

傳統的解決方案，例如高濃度電解液或傳統表面涂層，只能提供部分解決方案，而且往往會犧牲倍率性能、成本或生產規模。一種能夠同時加速離子去溶劑化并確保離子快速、穩定地傳輸到石墨的材料，仍然是一個重大挑戰。

一種用于快速離子傳輸的玻璃納米篩

為了應對這一挑戰，由中南大學常智教授和南京大學周豪慎教授領導的研究團隊開發了一種變革性的涂層策略，該策略利用玻璃態金屬有機框架（MOF）。常智教授解釋說：“關鍵在于設計一種能夠分階段發揮作用的涂層——首先作為選擇性的‘守門人’，然后作為鋰離子的‘高速公路’。”他們的研究成果發表在《國家科學評論》（National Science Review）上，展示了一種均勻涂覆的石墨負極（玻璃@石墨），該負極實現了前所未有的快速充電性能。

這項突破在于涂層的動態演變。最初，涂層以超薄（約5納米）連續玻璃層的形式存在，在首次放電循環中會轉變為獨特的雙層結構。外層是剛性絕緣的MOF玻璃，具有精確設計的2.93埃寬的孔隙。這些亞納米級通道如同分子篩，強制剝離鋰離子上的溶劑分子（預脫溶劑化），并創造高濃度的離子環境，從而促進形成堅固的、富含LiF的SEI膜。

與此同時，在石墨表面形成一層富含Li?P的內層。“Li?P是一種優異的鋰離子導體，”常教授指出，“這一層起到離子加速器的作用，使部分脫溶的較小鋰離子能夠超快地擴散到石墨內部。”這種協同設計——將緩慢的脫溶步驟與后續的傳輸步驟解耦——是其核心創新點。

真實電池中前所未有的性能

電化學測試結果令人矚目。在半電池測試中，玻璃@石墨負極在5C超高倍率下仍保持超過250mAh/g的高容量，性能比裸石墨負極高出五倍以上。更重要的是，在與商用NCM-811正極搭配的實際全電池中，該電池展現出卓越的穩定性，即使在嚴苛的4C快充條件下循環1000次后，仍能保持88%的容量。

為了驗證該技術的實際應用性，研究團隊制造了一款2.36 Ah的軟包電池。該電池實現了283 Wh/kg的高能量密度，并在300次循環后仍保持了80%以上的容量，凸顯了該技術的商業可行性。后續分析顯示，電池表面清潔，無枝晶，且晶體結構穩定，證實了該涂層在長期循環過程中能夠有效保護電池。

快速充電電池的前景

這種玻璃態金屬有機框架（MOF）涂層策略為石墨負極中長期存在的去溶劑化-傳輸權衡問題提供了一種根本性的解決方案。其低溫、可規模化的合成工藝使其極具工業應用潛力。通過構建能夠以納米級精度控制離子流的智能界面，這項工作為開發兼具超快充電速度和長使用壽命的下一代鋰離子電池鋪平了一條清晰而充滿希望的道路。