华东理工AEM: AFLMBs 性能飞跃密码：ZIF-8 的亚纳米限域工程奥秘

研究背景：AFLMBs 因规避了锂金属电池中锂过量使用带来的成本和安全问题，被视为极具潜力的下一代储能系统，但循环性能不佳阻碍其广泛应用。其原因包括 Li⁺传输动力学缓慢、不利的副反应以及锂枝晶生长，导致电解液 / 铜集流体界面不稳定。尽管已有多种策略尝试提升其可逆性，但均存在局限性，因此构建人工固体电解质界面（SEI）层成为实现高可逆 AFLMBs 的可行途径。

实验方法：采用快速电合成法在铜集流体（Cu CC）上制备约 200nm 厚的 ZIF-8 界面层（Cu@ZIF-8）。该方法相较于传统刀片涂层法，具有简单、省时的优势，且制备的界面层薄且无粘结剂，可降低 Li⁺传输阻力，提升电池性能。

实验结果

加速 Li⁺去溶剂化和传输动力学：ZIF-8 的约 4.2 Å 窗口小于溶剂化 Li⁺直径，可通过尺寸筛分效应加速 Li⁺去溶剂化，降低去溶剂化能，提升 Li⁺转移数。同时，去溶剂化后的 Li⁺传输和电荷转移动力学加快，电荷转移电阻减小，有效抑制了副反应，使 SEI 层更薄且稳定。

富集阴离子并调节 SEI 组成：ZIF-8 界面层排斥溶剂化溶剂，促使阴离子与去溶剂化 Li⁺相互作用，在其内部空腔中形成富含阴离子的溶剂化结构，生成 Li - 阴离子簇。这些簇可能迁移至电解液 / 集流体界面分解，形成富含 LiF 和 Li₃N 的 SEI 层，提升 Li⁺传输和锂沉积均匀性。

促进无枝晶锂沉积：ZIF-8 界面层加速 Li⁺去溶剂化和传输动力学，其多孔结构使电场和 Li⁺浓度分布均匀，有效抑制了锂枝晶生长，使锂沉积更加均匀、致密。

优异的电池电化学性能：Li/Cu@ZIF-8 半电池在 300 次循环中 Aurbach 库仑效率达 99.84%，显著优于裸铜电极。Li⊂Cu@ZIF-8/LFP 电池（N/P = 2）在 1000 次充放电循环后容量保持率为 90.7%。Cu@ZIF-8/LFP 无阳极电池（N/P = 0）在 400 次循环后容量保持率为 57.8%，能量密度达 485.95 Wh kg⁻¹ ，性能优于同类电池。

研究结论：在裸铜上制备的 ZIF-8 界面层，通过调节离子溶剂化结构，有效提升了 AFLMBs 的可逆性，为亚纳米多孔材料在无阳极电池中的应用提供了参考。

图文简介

a) ZIF - 8 的结构，带有约 4.2 Å 的窗口（由黄色球指示），锌（Zn）、碳（C）、氮（N）和氢（H）原子分别由紫色、灰色、蓝色和白色球表示。b) 基于二氧化碳吸附等温线得出的 ZIF - 8 孔径分布。c) Cu@ZIF - 8 电极的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像。d) 通过密度泛函理论（DFT）计算的，有无 ZIF - 8 窗口时的去溶剂化能。e) 电荷转移电阻的倒数与温度倒数的阿累尼乌斯图。f) 以 1 毫伏 / 秒的扫描速率，在裸铜和 Cu@ZIF - 8 上进行锂电镀 / 剥离的循环伏安（CV）曲线。g) 裸铜和 Cu@ZIF - 8 上锂沉积的塔菲尔曲线。h) Li / 裸铜以及 i) Li/Cu@ZIF - 8 不对称电池在第 1 次和第 100 次循环后的奈奎斯特图，插图为理想等效电路。

锂沉积的示意图：a) 在裸铜上；b) 在具有 ZIF - 8 界面层的铜集流体（Cu@ZIF - 8）上

在不同模拟时间下，a) 裸铜和 b) Cu@ZIF - 8 电极上电解液 / 集流体界面处的 Li⁺浓度分布。在 1 mA/cm² 电流密度下，于不对称电池中循环，裸铜上锂电镀形貌的俯视扫描电镜图像：c) 容量为 1 mAh/cm² ，d) 容量为 5 mAh/cm² 。在 1 mA/cm² 电流密度下，于不对称电池中循环，Cu@ZIF - 8 上锂电镀形貌的俯视扫描电镜图像：e) 容量为 1 mAh/cm² ，f) 容量为 5 mAh/cm² 。在 1 mA/cm² 电流密度下，于不对称电池中循环，容量为 5 mAh/cm² 时，锂电镀形貌的侧视扫描电镜图像：g) 裸铜，h) Cu@ZIF - 8。

a) Li/Cu 和 Li/Cu@ZIF - 8 不对称电池中锂金属在 300 次循环内的 Aurbach 库仑效率（CEs）测量。b) 裸铜和 Cu@ZIF - 8 电极的对称电池在电流密度为 0.5 mA/cm²、面积容量为 1.0 mAh/cm² 时的电压曲线。c) 在电流密度为 0.5 mA/cm²、面积容量为 1.0 mAh/cm² 条件下，Li / 裸铜和 Li/Cu@ZIF - 8 不对称电池的锂电镀 / 剥离库仑效率。d) 在电流密度为 1.0 mA/cm²、面积容量为 1.0 mAh/cm² 条件下，Li / 裸铜和 Li/Cu@ZIF - 8 不对称电池的锂电镀 / 剥离库仑效率。e) Li⊂Cu/LFP 和 Li⊂Cu@ZIF - 8/LFP 电池（负正电极容量比 N/P = 2）的循环性能。f) Cu/LFP 和 Cu@ZIF - 8/LFP 无阳极锂金属电池（AFLMBs，N/P = 0）的循环性能。

论文信息

通讯作者：Haiping Su, Jingkun Li