金属有机框架在电化学储能体系中的应用

背景介绍金属有机框架（MOF）是一种由金属和有机配体组成的多孔材料，具有较大比表面积、高孔隙率、强催化效率和良好稳定性等优点。近年来，用于锂离子电池（LIBs）、锂硫电池（LSBs）、钠离子电池（SIBs）、超级电容器（SCs）以及其他储能器件中的MOF材料制备受到了广泛关注，并取得了显著进展。原始MOF可单独用于储能器件中，此外，根据MOF基材料特性，通过有机连接剂和金属盐的组合设计，又可与多种物质形成MOF复合材料及MOF衍生物材料，构建具有适当性能的可预测结构，从而提升了储能器件的电化学性能。文章亮点总结了近些年MOF基材料在储能器件中的应用。具体包括以下几个方面：首先，在锂离子电池（LIBs）中，MOF基材料被用作电极材料、隔膜改性材料、电解质材料和添加剂。其次，在锂硫电池（LSBs）中，MOF基材料在三个维度上发挥重要作用。然后，在钠离子电池（SIBs）中，MOF被应用于电极材料。另外，MOF基材料也在超级电容器（SCs）、锌离子电池（ZIBs）、锌空气电池（ZABs）、锂空气电池（LABs）以及其他等多种储能器件中得到了广泛应用。内容介绍1

锂离子电池1.1

MOF负极材料MOF基材料与碳基材料复合后被广泛用于LIBs负极材料：乙炔黑[4]、科琴黑[5]、SuperP[6]、石墨[7]、石墨烯[8]、碳纳米管[9]。特别是MOF基材与石墨烯复合，它是一种由sp2杂化及碳原子组成的二维材料，具有六元环形状的微观晶格。1.2

MOF正极材料MOF在LIBs中也可以做正极。可使用碳基MOF复合材料来增强电池性能，其大孔结构和高电导率可以有效地提高正极容量。1.3

MOF隔膜改性MOF作为LIBs的隔膜改性材料时，能有效提高LIBs的循环稳定性、容量保持率、可逆性，以及抑制锂枝晶的生长和屏蔽某些离子的穿梭效应。1.4

MOF电解质添加剂MOF可以在不添加锂盐的情况下直接作为LIBs的固态电解质材料[18]，也可以和离子液体组合成准固态或固态作为LIBs的电解质材料[19]，还可以与锂盐组合作为锂离子导电电解质，所得电解质以准固态[20]或固态电解质[21]或固态电解液界面层（SEI）的形式应用[22]。2

锂硫电池2.1

3D-MOF三维MOF（3D-MOF）具有高结构稳定性、丰富的活性位点和独特的孔隙率，是LSBs的首选催化剂。2.2

2D-MOF二维MOF（2D-MOF）因其结构可调、高离子迁移率、丰富的活化位点、高比表面积和高孔隙率而迅速发展，并在开发电催化剂和电极方面建立了新的标杆，且已被研究员们证实可以提高LSBs的电化学性能[25]。2.3

1D-MOF一维MOF（1D-MOF）也可以作为LSBs的有效催化剂。3

钠离子电池MOF衍生的金属氧化物材料作为电极材料时，显示出良好的钠存储性能[28]。不仅可以制备单个MOF来形成复合材料，还可以与其他材料复合成性能良好的钠离子电池材料[29]。4

超级电容器4.1

赝电容PSC的电容源于在电极材料表面或表面附近发生的快速、可逆的法拉第过程（氧化还原反应），而原始MOF和MOF复合材料在已报道的赝电容器中都表现出了赝电容行为。4.2

电化学双层超级电容器EDLC传统上是通过物理吸附/解吸载流子的方式在外加压力下进行电化学储能，这需要大的比表面积和高孔隙的电极来获得高的能量密度，MOF基材料具有这样的优点。5

其他5.1

锌离子电池（ZIBs）5.2

锌空气电池（ZABs）5.3

锂空气电池（LABs）和其他6

总结与展望原始MOF、MOF复合材料和MOF衍生物材料用于储能器件中后，使其容量、循环稳定性和倍率等性能获得极好的改善。并且MOF复合材料及其MOF衍生物不仅可以保留MOF的基本拓扑结构，还可以利用组分优势来获得协同效应，是应用于储能领域的优秀基体材料。在LIBs中，MOF固有的大比表面积、多孔结构和高电导率为LIBs提供更多的活性位点和储锂位点，从而提高离子迁移速率。在LSBs中，除了减缓穿梭效应和