郑州大学「长江学者」王景涛/武文佳&天津大学「国家杰青」姜忠义,最新AM | MOF电解质构筑超低温固态锂电池!

可在超低温（<−60 ℃）工况下运行的固态锂电池（SSLB），对聚合物、无机等传统固态电解质（SSEs）构成巨大挑战。

2026年7月25日，郑州大学武文佳、王景涛，天津大学姜忠义在国际知名期刊Advanced Materials发表题为《Metal-Organic Framework Electrolytes for Sub- −60°C Solid-State Lithium Batteries》的研究论文，Yafang Zhang为第一作者，武文佳、王景涛、姜忠义为共同通讯作者。

在本文中，作者设计并制备电子云均匀分布金属有机框架（ECH–MOF），该材料具备弱温度依赖性的Li⁺传输特性，可作为固态电解质应用于超低温固态锂电池。

具体而言，金属节点固定富电子ClO₄^-阴离子，以此作为Li⁺传导位点；带有强吸电子基团的有机配体促使电子云沿Li⁺传输通路均匀分布，构筑空间连续均匀、能垒极低的传输通道，实现超低温下Li⁺高效迁移。

研究证实，ECH–MOF固态电解质中的Li⁺以类量子隧穿滑移机制迁移，而非传统热激活跳跃机制。该ECH–MOF固态电解质的活化能低至0.045eV，在−60℃下锂离子电导率可达1.2×10^-5S・cm^-1，而绝大多数固态电解质在此温度下基本呈绝缘态。

组装的高电压NCM811||锂半电池−60℃、1C条件下放电容量达109.2mAh・g^-1，循环1000次后容量保持率为62%，将固态锂电池的工作区间拓展至超低温领域。

该电子云均匀化策略为开发新一代低温离子导体（H⁺、Li⁺、Na⁺、Zn²⁺等）提供通用思路。可在−60℃以下超低温环境工作的全固态锂电池（SSLBs），是极地科考、高空基站、军事基地等极端场景储能的核心需求。

固态电解质（SSE）作为全固态锂电池的核心组分，直接决定电池的电化学性能。现有固态电解质主要分为固态聚合物电解质（SPE）与无机固态电解质（ISE）两类，二者在低温下均会出现离子电导率大幅衰减的问题。

该现象根源在于锂离子遵循经典阿伦尼乌斯或Vogel–Tammann–Fulcher热激活跳跃输运机制，其离子输运活化能（E_a）高、性能对温度高度敏感。因此，降低固态电解质的锂离子输运活化能，是提升全固态电池低温性能的关键突破口。

根据安德森-斯图尔特（Anderson–Stuart）模型，固态电解质内热激活锂离子输运包含导电位点上的吸附-脱附、相邻位点间跳跃两个核心过程，锂离子输运活化能由这两步过程所需能量共同决定。

多年来，研究人员开展大量工作降低吸附脱附能或跳跃能，例如调控无机电解质晶格与晶界结构、弱化锂离子与导电位点相互作用、降低聚合物电解质结晶度等。但现有研究大多仅单独优化吸附脱附或跳跃单一过程，性能提升幅度有限。

与之不同，本文提出从电子云层面构筑锂离子输运通道，从本质上降低输运活化能；吸附、跳跃过程均发生在富电子区域，因此该思路具备可行性。

然而传统固态电解质难以精准调控输运路径上的电子云分布：无机电解质可利用的富电子导电位点种类少、易产生结构缺陷；聚合物电解质结构随温度变化显著，导电位点随机分散，导致电子云分布与锂离子活化能的关联机制尚未明晰。

金属有机框架（MOF）由可调有机配体与高价金属节点通过强配位键连接而成，可实现电子云精细调控，同时拥有热稳定刚性骨架。

除传统晶态MOF外，近年结构多样化非晶MOF玻璃拓宽了固态电解质的研究边界，其无晶界本征结构、各向同性离子传输网络、大量不饱和金属配位位点赋予其巨大应用潜力。

尤其是二维MOF材料，兼具聚合物电解质柔性易加工优势与无机电解质有序高热稳定晶体结构，是精准调控电子云分布、探究锂离子输运活化能构效关系的理想研究平台。

基于此，本文设计并制备电子云均一化金属有机框架（ECH–MOF）固态电解质，实现弱温度依赖型锂离子输运，适配超低温全固态锂电池体系。

富电子高氯酸根（ClO₄^-）阴离子锚定在金属节点上作为锂离子导电位点；通过具有不同哈米特常数、吸/给电子特性的配体取代基诱导效应，精准调控高氯酸根位点及位点间的电子云密度。本文阐明MOF固态电解质中锂离子输运活化能与电子云密度的内在关联，将总活化能拆分为高氯酸根位点吸附能（E_β）和位点间跳跃能（E_h），二者均由导电位点区域的电子云密度（静电势能E_s）主导。

研究证实，CuBDC-2CN (Li) 电解液中强吸电子氰基（−CN）配体会诱导高氯酸根及其间隙区域电子极化与重新排布，通过整体电子重分布实现锂离子传输通道上电子云均匀分布，构筑空间均一、超低势垒的锂离子输运通路。

尤为重要的是，本文发现ECH–MOF固态电解质中锂离子并非传统热激活跳跃机制，而是以类量子隧穿滑移方式完成迁移。

该电子云均一化MOF电解质活化能低至0.045eV，在−60℃下锂离子电导率可达1.2×10^-5S・cm^-1。组装高镍三元NCM811||锂半电池后，−60℃、1C倍率下循环1000圈容量保持率达62%，放电比容量高达109.2 mAh・g^-1；即便在−90 ℃极寒条件下，电池仍可稳定完成充放电循环。

本工作提供一类颠覆性固态电解质材料，同时为各类低温离子导体（质子、锂、钠、锌导体等）的开发提供全新设计范式。

Metal-Organic Framework Electrolytes for Sub- −60°C Solid-State Lithium Batteries，Advanced Materials，2026，https://doi.org/10.1002/adma.74299.