電子發(fā)燒友網(wǎng)綜合報道，鋰金屬電池因超高能量密度和高輸出電壓，被視作新能源汽車、無人機、儲能電站等領域下一代理想的儲能設備。然而在實際應用中，兩大問題嚴重阻礙了其發(fā)展。

其一，離子傳輸緩慢，傳統(tǒng)隔膜難以實現(xiàn)鋰離子均勻快速遷移，尤其是在快充情況下，離子分布不均致使充電效率低下；其二，鋰枝晶失控生長，充電時鋰金屬負極易形成樹枝狀枝晶，這些尖銳晶體可能刺穿隔膜引發(fā)短路，甚至導致熱失控，這是電池安全的最大隱患。

隔膜作為電池的核心屏障，承擔著兩大核心功能：一是物理隔離正負極以防止短路，二是構(gòu)建離子傳輸通道。傳統(tǒng)聚烯烴隔膜（如PP、PE）存在三大缺陷，直接導致了快充瓶頸，包括離子電導率低、電解液潤濕性差以及熱穩(wěn)定性不足等。

因此，開發(fā)功能化隔膜成為突破鋰金屬電池快充難題的核心方向，而金屬有機框架（MOFs）材料憑借可調(diào)控孔道、高比表面積的特性，成為該領域的研究熱點。但此前行業(yè)對MOFs結(jié)構(gòu)與離子傳輸?shù)年P聯(lián)缺乏系統(tǒng)認知，尤其是不同晶面如何影響界面動力學尚不明確。

近期，西安交通大學郗凱教授團隊在鋰金屬電池快充隔膜領域的研究成果，精準攻克了該類電池快充難、循環(huán)短、安全風險高的核心瓶頸。這項發(fā)表于《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)的技術(shù)，通過晶面工程調(diào)控MOFs基復合隔膜，實現(xiàn)了離子傳輸效率與界面穩(wěn)定性的雙重突破，為下一代高能量密度電池的商業(yè)化提供了關鍵材料解決方案。

這項成果以《晶面工程調(diào)控復合隔膜實現(xiàn)選擇性離子篩分 助力鋰金屬電池穩(wěn)定快充》（Crystal Facet – Engineered Anion Regulation Enables Fast – Charging Stability in Lithium Metal Batteries）為題，闡述了團隊如何破解離子篩分與枝晶抑制難題。

該團隊摒棄了傳統(tǒng)機械混合MOFs顆粒的粗放方案，轉(zhuǎn)向精準的晶面調(diào)控與分子作用設計，以ZIF - 8為核心，打造出電荷選擇性離子篩分隔膜。

MOFs材料的晶面結(jié)構(gòu)直接決定其與離子的相互作用，團隊對比ZIF - 8的(100)與(110)兩種晶面后，選擇暴露(110)晶面。(110)晶面表面存在大量不飽和鋅位點（路易斯酸位點），對電解液中的TFSI ?陰離子（電池中阻礙鋰離子傳輸?shù)闹饕庪x子）的吸附能量更強（Ead,TFSI ? = - 0.50 eV，高于(100)晶面的 - 0.47 eV）。

并且通過選擇性錨定TFSI ?，減少陰離子隨鋰離子遷移的干擾，讓鋰離子單向快速通過，大幅提升離子傳輸均勻性，從源頭抑制枝晶生長。

ZIF - 8(110)的六邊形微孔（孔徑約3.4 ?）不僅是鋰離子的專屬通道，還能通過空間限制效應降低局部電流密度。

值得注意的是，團隊未直接使用純MOFs材料，而是將ZIF - 8(110)與傳統(tǒng)PP隔膜復合。這樣既能保留PP隔膜的機械強度，又能通過MOFs的功能化設計彌補其離子傳輸與熱穩(wěn)定缺陷。這種傳統(tǒng)基材 + 功能涂層的方案，兼顧了性能突破與產(chǎn)業(yè)化可行性。

實驗結(jié)果顯示，采用該隔膜的鋰金屬電池在2 mA cm ? 2和1 mAh cm ? 2條件下實現(xiàn)了超過1400次的穩(wěn)定循環(huán)，平均庫侖效率高達98.7%。此外，在高負載條件下，鋰鐵磷酸鹽（LiFePO）電池在5 C倍率下循環(huán)3000次后仍保持99.9%的庫侖效率，展現(xiàn)了優(yōu)異的快充性能。

該成果首次系統(tǒng)揭示了MOFs晶面結(jié)構(gòu)與離子傳輸、枝晶抑制的關聯(lián)機制，明確了開放金屬位點 + 微孔網(wǎng)絡在鋰離子脫溶劑化、離子篩分中的作用。

西安交大郗凱教授團隊的研究，并非簡單的隔膜性能優(yōu)化，而是通過晶面工程與分子設計，從根源上解決了鋰金屬電池快充與安全、循環(huán)與成本的核心矛盾。這項技術(shù)既填補了行業(yè)研究空白，又為產(chǎn)業(yè)化提供了可行路徑，其價值不僅在于提升電池性能，更在于為下一代高能量密度儲能設備的商業(yè)化掃清障礙。

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