近年来，固态锂金属电池相较传统锂离子电池具有更高的能量密度和安全性被认为是未来电化学储能器件的主要发展方向，因此倍受学术界和产业界的关注。固态电池的关键技术是固态电解质，其离子传输动力学、电化学稳定性、电解质/电极界面反应动力学等物理性能决定着固态电池的能量密度、循环寿命以及安全性。固态电解质主要分为无机固态电解质、有机聚合物基电解质两类。相比无机固态电解质，有机聚合物电解质在成本、规模化制备、界面性能和力学柔性等方面具有明显的优势，但仍然面临着一些科学难题无法有效解决，例如低离子电导率(<10^-4 S/cm)、热稳定性差、机械强度有限等。这些问题不仅限制了聚合物电解质性能的进一步提升，还严重影响着固态电池的发展。

针对这一问题，研究学者们开始关注复合固态电解质作为潜在的解决方案。复合固态电解质通常是由无机功能材料和有机聚合物复合制备的电解质，其结合了无机功能材料与有机固态电解质的兼容性优势，是目前固态电解质研究的热点之一。近日，以具有有序微孔结构的无机功能材料（OMMs），例如有机金属框架（MOF），共价有机框架（COF）和分子筛等，为填充材料所获得的复合固态电解质具有高锂离子导电率、高电化学和热力学稳定性、良好界面相容性，以及抑制锂枝晶生长的能力。因此，基于OMMs的复合固态电解质材料对发展下一代高性能固态锂金属电池具有十分重要的意义。

图1. 自然界中各类系统和材料的有序结构及尺度分布

鉴于此，西安交通大学郗凯教授和冯国栋教授等人分析总结OMMs类材料微纳结构有序度对复合固态电解质性能的影响规律并阐明其内在机制。通过从离子传导特性、热传导性能和机械稳定性三个角度对OMMs类材料进行分析，研究团队致力于寻找适用于复合固态电解质的性能优化策略，并提出了不同OMMs所面临的挑战及潜在解决方案。这些研究分析不仅为获取高性能复合固态电解质提供了可靠的设计方案，还为OMMs在未来先进技术节点上的应用提供了可能性。此工作以《Microporous Materials in Polymer Electrolytes: The Merit of Order》为题发表在《Advanced Materials》上。

图2. 有序多孔结构与无序多孔结构在离子传导、热传导和机械性能方面的差异性

核心内容

1. 论文从离子传导、机械稳定性、热传导性能的角度详细介绍了OMMs作为复合固态电解质中的无机功能材料的潜力，其独特的有序微孔结构具有快速离子传输、均匀热传导和优良机械性能，被认为是复合固态电解质的理想候选材料。

2. 论文分析了三种具有代表性OMMs（MOF，COF和分子筛）的微纳结构特征并且通过概述OMMs在复合固态电解质中的应用揭示了高度有序多孔结构在提升固态金属锂电池电化学性能、热稳定性和力学性能方面的优势和潜力。

图3. 不同OMMs作为无机功能材料所制备固态电解质的各项性能比较

3. 作者认为分子筛可以更大幅度提升复合固态电解质力学性能，能够有效抑制锂枝晶对电池结构的破坏。而MOF的独特性在于其表面的活性位点可以与聚合物链段间相互作用，降低聚合物的结晶度并促进锂离子迁移。COF的优势则在于有效改善聚合物电解质的结晶和相变问题，从而拓展其工作温度范围。

4. 论文最后强调氢键有机框架（HOF）材料作为一种重要的OMMs在复合固态电解质的研究中还鲜有报道，并且对于无机功能材料的低维度（1D，2D）结构设计在未来需要更多的相关研究。作者认为复合固态电解质的相关微观机理与低成本制备研究比较匮乏，是今后重要的研究方向之一。

图4. MOF，COF和分子筛独特的有序多孔结构在提升复合固态电解质离子传导、热稳定性和机械稳定性中的重要作用

四、作者简介

冯国栋教授（通讯作者）：西安交通大学长聘教授，美国橡树岭国家重点实验室访问学者。长期从事微介孔固相催化剂材料功能设计及绿色合成方法学基础研究。以第一作者或通讯作者身份发表Science在内等SCI论文四十余篇。担任《Engineered Science Publisher》编委，《无机材料学报》优秀审稿人，《Journal of the American Chemical Society》等杂志特约审稿人。现为中国科协科技人才奖项评审专家、陕西省科学技术奖评委专家、陕西省高层次人才评审专家。

郗凯（通讯作者）：国家级青年人才，储能材料与器件教育部工程中心副主任，储能材料与化学陕西省高等学校工程研究中心主任，西安交通大学教授，青年拔尖人才A类。剑桥大学材料科学与冶金学博士，南开大学应用化学硕士，西安交通大学机械工程及自动化本科。主要研究方向是基于多电子反应构建高比能二次电池，致力于能源高效存储和利用。在储能领域高影响力期刊发表第一/通讯作者SCI论文57篇（中科院一区44篇，影响因子10以上36篇，ESI高被引15篇）；SCI他引超过9800次，H因子56（google scholar截止2024年7月）。

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来源：高分子科学前沿

西安交大郗凯AM：聚合物复合固态电解质的有序结构设计