5 伏锂镍锰0.5锂离子电池1.5Li (LNMO|Li)电池因其高能量密度、高功率和环境友好性而备受关注，但锂枝晶、电解质分解和金属溶出等挑战限制了其商业化应用。本研究通过金属有机纳米片(MON)[Zr4(μ6-O)3O(BTB)成功构建了5伏LNMO|Li电池8] (2D2Zr-O-BTB，HBTB = 1,3,5-三(4-羧基苯基)苯)作为多功能隔膜，其展现出140.7 mAh g3的最高容量密度，并在112.56 mAh g的容量密度下显著延长循环寿命（>138次）−11更为重要的是，综合理论计算与详细机理表征表明：1) 适宜的最低未占分子轨道和最高占据分子轨道能有效抑制电解质分解；2) 开放金属位点可抑制锂枝晶形成；3) 氧靶向位点解决了金属溶出问题。这种"一石三鸟"策略为金属有机网络材料（MON）在高压锂金属电池（HV-LMBs，尤其是LNMO|Li体系）中的能量转换应用及多功能隔膜开发提供了重要启示。−1. What's more, the comprehensive theoretical calculations and detailed mechanism characterization demonstrate: 1) the suitable lowest unoccupied molecular orbital and highest occupied molecular orbital prevents the electrolyte decomposition; 2) the open metal sites suppress the lithium dendrites formation; 3) the oxygen targeted sites address the issue of metal leaching. The one stone and three birds strategy provides insights into the application of MON in energy conversion and the exploration of multifunctional separators for HV-LMBs, especially LNMO|Li battery.
锂金属负极与高压正极的组合被认为是实现500 Wh kg-1高能量密度目标的有前景解决方案−1 [1]、[2]、[3]、[4]。特别是LiNi0.5锂离子电池1.5LNMO|Li（锂镍锰氧化物|锂）电池因其高能量密度、高功率和环境友好性而受到广泛关注[5][6][7][8]。%%然而，5V LNMO|Li电池存在锂枝晶形成、高压下电解质分解及金属溶出等问题，导致其电池性能难以满足工业要求[9][10][11]。%%首要问题在于，传统电解质在高压（≥4.3V vs. Li）条件下会发生不可逆氧化分解4根据Goodenough等人的理论，电解液分解问题可通过调控最低未占分子轨道（LUMO）与最高占据分子轨道（HOMO）解决[15][16][17]。目前最成人（Mature）的方法是添加电解液添加剂来抑制分解，但添加剂的引入会使电解液体系更复杂，不利于构效关系研究[3][18][19][20]。我们期望在不改变电解液组成的前提下，利用功能化隔膜调控体系的LUMO-HOMO能级，从而解决电解液分解问题。金属有机框架（MOFs）因其可设计性和易功能化特性而备受关注[21][22][23]，通过合理设计可实现光催化、电催化和荧光传感中LUMO-HOMO的精准调控[24][25][26]。近期，我们通过调控MOFs材料的LUMO-HOMO能级[27]成功实现了高效光合作用全反应，并期望通过调控MOFs的LUMO-HOMO能级显著提升5V LNMO|Li电池的性能。+/Li) [12], [13], [14]. According to Goodenough et al.'s theory, the problem of electrolyte decomposition can be solved through the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) and the highest occupied molecular orbital (HOMO) regulation [15], [16], [17]. The most mature method currently is to suppress the decomposition of electrolyte by adding electrolyte additives, but the introduction of additives makes the electrolyte system more complex and is adverse to the study of structure-performance relationships [3], [18], [19], [20]. We expect to use functional separators to regulate the LUMO-HOMO of the system without changing the electrolyte composition, thereby solving the problem of electrolyte decomposition. Metal organic frameworks (MOFs) are famous for their designable and easy functionalization characteristics [21], [22], [23], accurate regulation of LUMO-HOMO for photocatalysis, electrocatalysis, and fluorescence sensing can be achieved through reasonable design [24], [25], [26]. Recently, we successfully achieved efficient photosynthetic overall reaction by regulating the LUMO-HOMO of MOFs [27] and hope to regulate LUMO-HOMO of MOFs to significantly improve the performance of 5 V LNMO|Li battery. 其次，5V LNMO|Li电池高压正极中的金属溶出问题也阻碍了电池性能的提升[28][29]。研究者采用电极包埋、离子掺杂等策略解决金属溶出问题，但溶解问题仍然存在。 微量金属离子仍然会降低5V LNMO|Li电池的性能[30][31][32][33]。金属有机框架(MOF)具有未配位的氧/氮原子，可作为离子靶向位点吸附溶解的金属离子。因此，我们希望通过MOF的靶向效应解决金属溶出问题，从而进一步提升5V LNMO|Li电池的性能。最后同样重要的是，锂枝晶问题对于5V LNMO|Li电池的性能提升也至关重要[34][35]。解决锂枝晶问题的核心在于阻碍阴离子传输并提高锂+转移数（tLi+）[36], [37]。不久前，我们提出了一种通过将阴离子固定在MOF开放金属位点（OMSs）中来提高t的策略，显著提升了锂离子电池的循环寿命[38]。%%与3D MOFs相比，2D MONs具有更快的离子通过速率和更高的tLi+，从而获得更优异的电池性能[39], [40], [41]。%%我们预期通过MONs进一步拓展该策略，因为其纳米片层表面具有更多的OMSs。Li+, resulting in better battery performance [39], [40], [41]. We expect to further develop this strategy through MONs for they have more OMSs on the surface of nanosheet layer. 我们通过合理的结构设计，成功构建了5V LNMO|Li锂金属电池，实现了一石三鸟的效果（示意图1）。经过筛选后，我们合成了一种超薄且稳定的金属有机网络[Zr6(μ3-O)8O(BTB)成功构建了5伏LNMO|Li电池2] (二维Zr-O-BTB，H3BTB = 1,3,5-三(4-羧基苯基)苯，具有适宜的LUMO-HOMO能级结构，其纳米片层表面富含大量开放金属位点(OMSs)和氧靶向位点(OTSs)。正如预期，采用该隔膜的电池展现出高锂离子电导率（0.64 mS cm−1）和低活化能（0.18 eV）。此外，Zr-O-BTB基于纳米片的LNMO|Li电池表现出140.7 mAh g的最高初始容量密度−1且循环寿命显著延长（>138次循环），容量密度达112.56 mAh g<sup>-1</sup>。−1此外，综合理论计算与详细机理表征表明：1) 适宜的LUMO-HOMO能级可抑制电解质分解；2) 开放金属位点(OMSs)能抑制锂枝晶形成；3) 有机硫醇盐(OTSs)可解决金属溶出问题。这种"一石三鸟"策略拓展了金属有机网络(MON)在高电压锂金属电池(HV LMBs)中的应用，特别是在LNMO|Li电池体系中。
