具有双重功能机制的Sb终止功能化中间层，使得锂金属电池具有极高的稳定性

《Advanced Powder Materials》：Sb-Terminated Functionalized Interlayer with Dual-Function Mechanism Enables Highly Stable Lithium Metal Batteries

锂金属电池（LMBs）因高容量和低还原电位备受关注，但其枝晶生长和界面稳定性问题制约应用。本文提出HKUST-1与SbF3形成的HKSF复合隔膜，通过Sb-终止基团增强锂离子吸附与脱溶剂化作用，并协同构建LiF富集与Li3Sb合金的稳定SEI界面。Li||HKSF@PE|Li对称电池循环2500小时容量保持率优异，Li||HKSF@PE|LFP全电池在5C倍率下循环220次容量保持率92%，有效抑制枝晶并提升电池寿命与安全性。

　　锂金属电池（LMBs）因其高比容量和低还原电位，被视为高能量密度和高功率密度储能技术的重要候选者。然而，LMBs在实际应用中面临显著挑战，主要源于锂枝晶的生长和锂负极的高反应活性。锂枝晶的形成不仅会破坏固态电解质界面（SEI）层，还会导致电解液和活性锂的过度消耗，从而影响电池的安全性和稳定性。因此，控制锂枝晶的生长和界面稳定性，是实现LMBs稳定负极的关键所在。

针对这一问题，研究人员提出了一种创新的多功能界面层设计，该界面层由SbF3与HKUST-1骨架材料结合形成，其结构富含Sb末端基团，命名为HKSF@PE。这种设计的提出，旨在通过优化锂离子的行为，构建更加稳定的LMBs。理论计算表明，该结构中的Sb末端基团与锂离子具有较强的相互作用，能够作为阳离子受体和吸附位点，从而促进锂离子的脱溶剂化过程，提高锂离子的传输动力学。同时，原位XRD、拉曼光谱和分布式电容分析（DRT）结果显示，HKSF有助于在SEI/锂界面形成富含LiF的锂亲和性Li3Sb合金，调节锂沉积形态，并重建一个强化的SEI界面。这些结果表明，HKSF@PE界面层能够显著抑制锂枝晶的生长，提升LMBs的性能。

在实验测试中，Li|HKSF@PE|Li对称电池在2 mA cm-2电流密度和1 mAh cm-2沉积容量下，表现出超过2500小时的优异稳定性，而Li|HKSF@PE|LFP全电池在5C的高倍率下，经过220次循环后仍保持高达92.0%的容量保持率。这些数据充分展示了HKSF@PE在提升电池性能方面的潜力。此外，实验还表明，该界面层在不同操作条件下（如高温、低温、高负载）均表现出良好的适应性，进一步验证了其在实际应用中的可行性。

从材料科学的角度来看，HKUST-1与SbF3的结合，不仅提供了结构上的优势，还通过其独特的化学特性促进了锂离子的传输和沉积过程。HKUST-1的有序孔道结构为锂离子提供了有效的传输路径，而SbF3的引入则增强了界面层的稳定性和导电性。这种双重功能的设计，使得锂离子能够更加均匀地沉积，从而避免了枝晶的形成，提升了电池的循环寿命和安全性。

材料的合成过程采用了水热法与“瓶中造船”法相结合的技术，确保了HKSF@PE界面层的均匀性和稳定性。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）等手段，研究人员对材料的微观结构和化学组成进行了详细表征，确认了Sb末端基团的成功构建。同时，通过接触角测试和力学性能测试，证明了HKSF@PE具有优异的润湿性和机械强度，这有助于其在电池中稳定工作，防止因枝晶生长导致的短路问题。

在电化学性能测试中，研究人员对不同类型的电池进行了系统评估，包括对称电池和全电池。测试结果表明，HKSF@PE不仅显著提高了锂离子的传输效率，还有效降低了锂沉积的过电位，从而提升了电池的循环稳定性。特别是在高倍率下，其表现优于传统材料，显示出良好的应用前景。

从材料的长期稳定性角度来看，HKSF@PE界面层能够通过持续的界面反应，生成富含LiF和锂亲和性Li3Sb合金，从而形成一个更加坚固和均匀的SEI层。这一特性不仅提升了锂离子的传输效率，还有效抑制了锂枝晶的形成，从而延长了电池的使用寿命。

此外，研究人员还探讨了HKSF@PE界面层在不同操作条件下的表现，包括高温、低温和高负载情况。结果显示，该材料在这些极端条件下仍能保持较高的容量保持率和良好的电化学性能，进一步证明了其在实际应用中的可靠性。同时，通过与其他功能性材料的对比，HKSF@PE展现出更高的综合性能，包括更高的离子导电率和更低的界面阻抗，这为LMBs的商业化应用提供了有力的支持。

从产业应用的角度来看，HKSF@PE的制备方法相对简单，且材料成本较低，这为其大规模生产提供了可能。此外，随着MOF材料在工业界的应用日益广泛，相关技术如MOF墨水、三维打印、混合矩阵膜制造等，也为HKSF@PE的商业化提供了技术支持。多家企业已经开始关注MOF基电池材料的产业化发展，预计未来几年内将有相关产品面世。

综上所述，HKSF@PE界面层的设计和应用，为LMBs的稳定性和高能量密度提供了新的解决方案。通过优化锂离子的行为和构建稳定的SEI界面，该材料在多个方面表现出色，为实现高性能锂金属电池奠定了基础。未来，随着材料科学和电池技术的不断进步，HKSF@PE有望成为推动LMBs技术发展的重要材料之一。