廣州能源所構建創新雙功能隔膜體系實現鈉金屬負極高穩定性儲能方案

近日，中國科學院廣州能源研究所曹晏研究員團隊揭示了一種雙極性功能協同調控金屬有機框架隔膜性能的新機制。該研究證實，經過精確調控的具有雙極性官能團UIO-66金屬有機框架（MOF）與隔膜相復合可顯著提升鈉金屬電池的循環壽命，在10C高倍率測試中表現出超2000次循環的超高穩定性。

鈉金屬電池（SMBs）憑借豐富的資源儲量、較低原材料成本以及高達1165 mAh g?1的理論比容量，被廣泛認為是鋰離子電池的潛在替代技術。在此背景下，隔膜作為關鍵界面結構，承擔著引導鈉離子通量、維持電解液分布均勻性及抑制枝晶穿透的重要功能，其性能優劣對電池整體運行穩定性具有決定性影響。傳統的玻璃纖維（GF）隔膜孔徑無序、電解液浸潤性差，導致鈉金屬沉積不均勻。

本研究圍繞鈉金屬電池中界面不穩定與離子遷移受限的核心挑戰，提出并構建了一種雙極性功能團（?F與?SO?H）協同修飾的UFS2@GF隔膜。該隔膜在結構層面實現了對Na?脫溶劑化、遷移動力學和成核行為的多重調控，在界面層面誘導形成富無機組分的穩定SEI，顯著抑制枝晶生長與副反應，整體提升了電化學性能與循環穩定性。DFT進一步揭示了MOF骨架對Na?吸附與遷移路徑的本征調控機制，為實驗結果提供了理論支撐。

UFS2@GF隔膜的SMBs中鈉沉積/剝離行為示意圖

理論計算揭秘MOF骨架的“離子高速通道”：UFS2@GF中親鈉特性及擴散機制模擬

全電池性能驗證：兼顧高倍率與長壽命

研究得到國家自然科學基金、廣西壯族自治區重點研發計劃等項目資助。相關成果以Synergistic Dual-Polar-Functionalized Metal?Organic Framework-Modified Separator for Stable and High-Performance Sodium Metal Batteries為題發表于ACS Nano。論文第一作者為博士研究生呂佳澤，通訊作者為曹晏研究員。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c04051