福建师范大学洪振生AM：机器学习开发高比能聚合物固态钠电池

【研究背景】

固态钠电池（SSBs）因具备高安全性和高能量密度而备受瞩目。其中，固态聚合物电解质（SPEs）成本低且加工性好，但普遍存在室温离子电导率低（常低于10^-5）、界面副反应多及电化学窗口窄（<4 V）的瓶颈。如何在分子尺度协同优化离子传输动力学、钠离子迁移数与机械强度，是当前固态电池领域的重大挑战。

【研究介绍】

近日，福建师范大学洪振胜教授等研究人员，在国际顶级期刊《Advanced Materials》上在线发表了题为“Data-Driven Discovery of MOF-Polymer Synergies Enabling High-Performance Solid-State Sodium Batteries”的研究工作。该工作创新性地融合无监督学习与随机森林模型，对M-MOF-74家族进行了高通量筛选，成功鉴定出Zn-MOF-74作为聚偏氟乙烯（PVDF）基电解质的最佳功能填料。通过路易斯酸性金属位点促进阴离子解离并原位构建富NaF的稳定界面，所开发的SPE-Zn-MOF电解质实现了高达1.02Í10^-3 S cm^-1的室温离子电导率、0.84的高钠离子迁移数以及5.1 V的超宽电化学稳定窗口。搭配层状氧化物LCT或Na₃V₂(PO₄)₃正极时，固态钠电池展现出卓越的室温长效循环稳定性和优异的倍率性能。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Materials上。赵思为本文第一作者。

【核心部分】

传统PVDF固态聚合物电解质中，Na⁺传输受限于较高的聚合物结晶度和较低的钠盐解离程度。研究团队据此将调控重点放在MOF填料的金属节点：如果引入具有合适离子半径和Lewis酸性的金属中心，就有望同时促进NaClO₄解离、调节PVDF局部结构并改善Na⁺传输。为避免传统“试错式”筛选，研究团队首先从Materials Project数据库中构建包含592种M-MOF-74结构的数据集，并结合离子半径、电负性、配位数及晶胞参数等描述符建立机器学习模型。理论筛选表明，金属离子半径和电负性是影响MOF-74离子传输性能的关键因素，其中Zn-MOF-74表现出较高的Na⁺传输潜力。实验表明，Zn-MOF-74能够促进NaClO₄解离并调节PVDF结构，使室温离子电导率达到1.02 mS cm^-1，Na⁺迁移数提高至0.84。进一步研究发现，Zn-MOF-74与PVDF的界面作用可降低聚合物结晶度并抑制循环过程中的重新结晶，同时调节局部介电环境和Na⁺通量，促进形成稳定的富NaF界面层。最终，Na|SPE-Zn-MOF|Na对称电池稳定循环超过4000 h，并在全固态钠金属电池中表现出优异的倍率、循环及宽温度性能。该研究建立了”金属节点—聚合物结构—Na⁺输运—界面稳定性”的关联，为固态聚合物电解质的数据驱动设计提供了新思路。

图1. 数据驱动筛选MOF-74金属节点及Na⁺传输构效关系

研究团队从Materials Project数据库中筛选出592种M-MOF-74结构，并提取离子半径、电负性、配位数及晶胞参数等关键描述符，构建机器学习模型解析结构与离子电导率之间的关联。结果表明，离子半径和电负性是影响Na⁺传输的重要因素，其中低电负性、大离子半径的金属中心更有利于离子迁移。基于模型预测，Zn-MOF-74被选为优选填料，为后续实验验证及MOF-聚合物协同调控提供理论依据。

图2. M-MOF-74调控PVDF固态电解质的结构与化学作用机制

为揭示M-MOF-74对聚合物电解质的调控作用，研究结合XRD、XPS、SEM、EDS及DFT计算分析其结构与界面作用。结果表明，M-MOF-74均匀分散于PVDF基体中，其中Zn-MOF-74具有良好的界面相容性；Zn²⁺ Lewis酸性位点可增强与NaClO₄及PVDF的相互作用，促进盐解离并调节局域静电势。DFT优化结构进一步表明，Zn-MOF-74可构建有利于Na⁺迁移的局域化学环境，为其高离子传输性能提供结构基础。

图3. SPE-Zn-MOF复合电解质的宏观物理化学特性及介电纳微结构表征。

如图3a-d所示，相比纯PVDF电解质，SPE-Zn-MOF表现出更低的矫顽场、更强的极化恢复能力、优异的机械抗拉强度（70.1 MPa）及极低的漏电流，这源于结晶度的有效抑制。结合XCT无损三维重构（图3g）与介电力显微镜（DFM）表征（图3h），均匀分散的Zn-MOF填料在膜内构建了纳米级的局部高介电“热点”与离子传输通道，能够充当电化学循环过程中的“电荷缓冲器”，从而实现均匀稳定的钠离子流传输。

图4. SPE-Zn-MOF优异的Na⁺传输与Na金属界面电化学性能

SPE-Zn-MOF表现出1.02 mS cm^-1的室温离子电导率、0.84的Na⁺迁移数和0.17 eV的低活化能，并将电化学稳定窗口拓宽至5.1 V。Na|SPE-Zn-MOF|Na对称电池在0.1 mA cm^-2下可稳定循环4000 h，过电位仅55 mV。Tafel与DRT分析进一步表明，Zn-MOF-74降低体相及界面阻抗并促进Na⁺传输与界面电荷转移，从而实现稳定、高效的Na沉积/剥离。

图5. Zn-MOF-74调控Na金属界面与PVDF结构演化机制

AFM、XPS和²³Na ssNMR表明，Zn-MOF-74促进形成富无机组分的稳定SEI，提高界面力学强度并均匀Na沉积。2D WAXS及原位XRD进一步揭示，Zn-MOF-74抑制循环过程中PVDF结晶与结构演化，维持稳定的电解质微结构。多尺度表征共同表明，Zn-MOF-74通过协同调控界面化学、力学性质及聚合物结构，稳定Na⁺传输与Na金属界面。

图6. SPE-Zn-MOF固态电解质在全电池中的高倍率、宽温域及安全性能

LCT和NVP全电池均展现出优异的倍率与循环性能，其中NVP全电池在5 C下仍可实现约90 mAh g^-1，并在−20至60 °C范围内保持稳定工作；高负载电池循环300圈后仍保持约104 mAh g^-1，1000圈后容量保持率达98%。进一步构建高载量柔性软包电池，在0.5 C下循环120圈后仍保持107.2 mAh g^-1，滥用条件下温升低于1 °C，验证了其实际应用潜力。

【文献详情】

Si Zhao, Yiwei Lv, Lituo Zheng, Luzhuo Chen, Bing Lin, Mingdeng Wei, Sanjay Mathur, Zhensheng Hong.Data-Driven Discovery of MOF–Polymer Synergies Enabling High-Performance Solid-State Sodium Batteries.Advanced Materials, 2026, e75031.

原文链接:

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.75031

【作者简介】

通讯作者简介:

洪振生教授简介：教授，博士生导师，德国洪堡资深学者(Experienced Researcher，2019年8月至2020年10月)。长期从事储能材料设计、制备科学和器件构造的一体化研究，主持国家自然科学基金3项（2个面上，1个青年），主持福建省“雏鹰计划”青年拔尖人才、福建省杰出青年基金、省基金重点项目和成果转化等9个项目。累计发表SCI论文100余篇(第一/通讯作者论文60篇)，第一/通讯作者论文包括国际顶级期刊美国科院院院刊PNAS (2篇)、Adv. Mater. (2篇)、Energy Environ. Sci. (2篇)、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、ACS Energy Lett.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy (8篇)和Energy Storage Mater. (3篇)等。此外，开发出一系列具有自主知识产权的钠电池负极材料，以第一发明人授权国家发明专利20项（转让2项），硬碳研究成果实现成果转化和应用。

第一作者简介:

赵思：福建师范大学2022级博士研究生，师从洪振生教授，2022-2023年于德国科隆大学Sanjay Mathur院士课题组联合培养。研究高容量钠金属基负极的设计与界面电化学调控。以第一/通讯作者身份在 Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Energy Lett.、Nano Energy (2篇)、Small、 Chem. Eng. J等期刊上发表 10篇论文，已授权专利 1 项。目前担任Battery Energy等能源材料领域期刊（青年）编委成员。

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