金屬有機框架在電化學儲能體系中的應用

背景介紹金屬有機框架（MOF）是一種由金屬和有機配體組成的多孔材料，具有較大比表面積、高孔隙率、強催化效率和良好穩(wěn)定性等優(yōu)點。近年來，用于鋰離子電池（LIBs）、鋰硫電池（LSBs）、鈉離子電池（SIBs）、超級電容器（SCs）以及其他儲能器件中的MOF材料制備受到了廣泛關注，并取得了顯著進展。原始MOF可單獨用于儲能器件中，此外，根據MOF基材料特性，通過有機連接劑和金屬鹽的組合設計，又可與多種物質形成MOF復合材料及MOF衍生物材料，構建具有適當性能的可預測結構，從而提升了儲能器件的電化學性能。文章亮點總結了近些年MOF基材料在儲能器件中的應用。具體包括以下幾個方面：首先，在鋰離子電池（LIBs）中，MOF基材料被用作電極材料、隔膜改性材料、電解質材料和添加劑。其次，在鋰硫電池（LSBs）中，MOF基材料在三個維度上發(fā)揮重要作用。然后，在鈉離子電池（SIBs）中，MOF被應用于電極材料。另外，MOF基材料也在超級電容器（SCs）、鋅離子電池（ZIBs）、鋅空氣電池（ZABs）、鋰空氣電池（LABs）以及其他等多種儲能器件中得到了廣泛應用。內容介紹1

鋰離子電池1.1

MOF負極材料MOF基材料與碳基材料復合后被廣泛用于LIBs負極材料：乙炔黑[4]、科琴黑[5]、SuperP[6]、石墨[7]、石墨烯[8]、碳納米管[9]。特別是MOF基材與石墨烯復合，它是一種由sp2雜化及碳原子組成的二維材料，具有六元環(huán)形狀的微觀晶格。1.2

MOF正極材料MOF在LIBs中也可以做正極?？墒褂锰蓟鵐OF復合材料來增強電池性能，其大孔結構和高電導率可以有效地提高正極容量。1.3

MOF隔膜改性MOF作為LIBs的隔膜改性材料時，能有效提高LIBs的循環(huán)穩(wěn)定性、容量保持率、可逆性，以及抑制鋰枝晶的生長和屏蔽某些離子的穿梭效應。1.4

MOF電解質添加劑MOF可以在不添加鋰鹽的情況下直接作為LIBs的固態(tài)電解質材料[18]，也可以和離子液體組合成準固態(tài)或固態(tài)作為LIBs的電解質材料[19]，還可以與鋰鹽組合作為鋰離子導電電解質，所得電解質以準固態(tài)[20]或固態(tài)電解質[21]或固態(tài)電解液界面層（SEI）的形式應用[22]。2

鋰硫電池2.1

3D-MOF三維MOF（3D-MOF）具有高結構穩(wěn)定性、豐富的活性位點和獨特的孔隙率，是LSBs的首選催化劑。2.2

2D-MOF二維MOF（2D-MOF）因其結構可調、高離子遷移率、豐富的活化位點、高比表面積和高孔隙率而迅速發(fā)展，并在開發(fā)電催化劑和電極方面建立了新的標桿，且已被研究員們證實可以提高LSBs的電化學性能[25]。2.3

1D-MOF一維MOF（1D-MOF）也可以作為LSBs的有效催化劑。3

鈉離子電池MOF衍生的金屬氧化物材料作為電極材料時，顯示出良好的鈉存儲性能[28]。不僅可以制備單個MOF來形成復合材料，還可以與其他材料復合成性能良好的鈉離子電池材料[29]。4

超級電容器4.1

贗電容PSC的電容源于在電極材料表面或表面附近發(fā)生的快速、可逆的法拉第過程（氧化還原反應），而原始MOF和MOF復合材料在已報道的贗電容器中都表現(xiàn)出了贗電容行為。4.2

電化學雙層超級電容器EDLC傳統(tǒng)上是通過物理吸附/解吸載流子的方式在外加壓力下進行電化學儲能，這需要大的比表面積和高孔隙的電極來獲得高的能量密度，MOF基材料具有這樣的優(yōu)點。5

其他5.1

鋅離子電池（ZIBs）5.2

鋅空氣電池（ZABs）5.3

鋰空氣電池（LABs）和其他6

總結與展望原始MOF、MOF復合材料和MOF衍生物材料用于儲能器件中后，使其容量、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率等性能獲得極好的改善。并且MOF復合材料及其MOF衍生物不僅可以保留MOF的基本拓撲結構，還可以利用組分優(yōu)勢來獲得協(xié)同效應，是應用于儲能領域的優(yōu)秀基體材料。在LIBs中，MOF固有的大比表面積、多孔結構和高電導率為LIBs提供更多的活性位點和儲鋰位點，從而提高離子遷移速率。在LSBs中，除了減緩穿梭效應和