CTM蓄电池作为下一代可充电电池新兴电极材料的MOF基复合材料
发布时间：2026-05-19 22:50:14 点击： 次
金属有机框架（MOF）复合材料因其组分可控、高渗透性、多功能性以及结构多样性等特点，被视为储能领域的重要材料，这为筛选合适的电池电极材料提供了可能。然而，目前仍存在诸多问题阻碍MOF复合材料的广泛应用。本综述系统归纳了MOF复合材料在金属离子电池、锌空气电池、锂硫电池及锂氧电池等储能体系中的应用研究进展。此外，本文还总结了MOF复合材料在电池应用中的技术瓶颈。通过阐述当前对MOF及其复合材料的认知水平，本研究旨在为后续探索与改进指明潜在发展方向。这类材料通过协同效应展现出卓越的多功能应用前景，为动态领域的研究者开辟了新的探索路径。
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MOF-LDH
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MOF-石墨烯
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MOF-聚合物
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锂离子电池
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储能
原始金属有机框架（MOF）因其结构和化学特性在电池应用中极具吸引力[29]。其低密度、高比表面积和可调孔隙率共同提供了大量活性位点，促进了电极中的离子扩散。此外，其晶体结构高度有序且化学成分可调控，因此能够精确设计其电化学性能，使其成为极具通用性的储能体系。然而，尽管存在这些优势，原始MOF作为电池电极仍存在严重缺陷。大多数MOF固有的低电导率会阻碍充放电反应过程中的有效电子迁移。此外，其结构稳定性在反复电化学循环过程中通常不足，导致性能随时间衰减[30]。
为克服这些缺陷，通常将金属有机框架(MOFs)与其他功能材料复合以制备复合材料[31][32]。通过将MOFs与导电性(碳基)或电化学活性(如金属氧化物)组分结合，所得复合材料具有更优异的导电性、结构稳定性及整体电化学性能，从而更适合实际电池应用[33][34]。制备MOF复合材料时，可将MOFs与石墨烯、碳纳米管及金属氧化物聚合物等材料混合，在提升电化学反应活性和导电性的同时降低材料缺陷[35]。此外，MOFs衍生材料(如金属氧化物/碳复合材料)因其卓越的导电特性或独特的内部空隙结构，在储能领域引起了广泛关注[36][37]。杂原子（C、H、O、N和S）作为活性有机过程的位点，以及结构维度均可用于制备高纯度的金属有机框架材料（MOFs）及其复合材料[38][39]。%%科学界近年来对MOFs在能源相关研究中的兴趣显著增加，这源于其引人注目的特性——包括持久孔隙率与高比表面积[40]。MOFs由两个主要组成部分构成：通过强键合作用连接的人工合成单元与有机单元。%%通常以羧酸盐为代表的有机组分通过与无机金属簇的键合作用，形成具有多孔特性的三维晶体结构[41]。这些羧酸根基团的不同价态可构建含锌等金属离子的、具有多样孔径尺寸的三维结构。, Co2+Cu2+, Mg2+和 Ni2+离子[42]。当添加金属离子时，其粒径与体积会减小，从而形成1000-10000 m²/g的完整比表面积。2+在纳米尺度上[43][44]。由于其结构特征、尺寸、表面框架、导电性、维度与功能性的高度多样性，众多研究者已开发出大量具有二羧酸、三羧酸及不同长度多羧酸配体的MOFs材料[45]。除过渡金属离子外，某些p区元素（如铟、镓、锶和钡）也被用于其他MOFs的合成[46]。本综述全面探讨了MOFs及其复合物在电池领域的制备方法、应用场景与实际效用。2本文探讨了电池的重要性及其在日常生活中的作用。此外，通过结合多种物质以最大化电池效率，MOF的可靠性得到增强。由于MOF具有广阔的表面积，能增强电极-电解质相互作用并提升电池性能，我们选择将其应用于电池体系。MOF具备改善电池导电性、容量与倍率性能的<ability>能力
图文摘要
关键词
基于MOF的复合材料;
MOF-LDH
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MOF-石墨烯
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MOF-聚合物
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锂离子电池
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储能
引言
快速的工业增长和持续的人口增长正在推动全球能源需求不断攀升[1][2][3]。能源短缺已逐渐发展成为阻碍社会进步、最终危及人类生存的重大问题[4][5]。可再生能源的广泛使用对缓解能源危机至关重要[6][7]。其中最具发展前景的替代能源是太阳能、风能和水力发电[8][9]。然而，这些能源存在脆弱性且难以实现有效监管。太阳能与风能作为构建可持续低碳能源体系的关键可再生资源，其高效利用可通过先进的能量转换与存储策略得以提升[10][11][12]。为存储太阳能或风能，开发具有更高耐久度的新型电能存储（EES）装置至关重要[12][13]。EES设备是实现可持续发展最关键的机械装置之一[14][15]，其核心组件由蓄电池与超级电容器构成[15]。由于电极材料中大量离子参与电荷存储过程，蓄电池通常具有较高的能量密度[16]。例如，锂离子电池的氧化还原反应可通过添加Li+在保持更高能量密度的同时为电极提供性能优化[17]。超级电容器又称双电层电容器，其结构由电极界面附近的两个独立电容层构成[18]。这类电容器通常兼具功率密度提升与使用寿命延长的优势[19][20]。基于电化学反应机理，蓄电池虽具有高能量密度，但功率密度较低；而超级电容器则表现出高功率密度与相对较低的能量密度特性[21]。电极材料对电化学储能装置（EES）的电化学性能具有显著影响[22]。随着能源技术的发展和对高效储能需求的增长，锂离子电池仍不可或缺，但能量密度的进一步提升主要受限于现有电极材料（尤其是正极材料）的固有缺陷[23][24][25]。因此，研发具有更优电化学性能的新型电极材料具有重要意义[9][26]。二十多年来，研究者们针对由工业金属顶点与通过配位键连接的生物配体构成的金属有机框架（MOFs），在多种电化学能源存储（EES）器件中开展了大量研究[27]。金属离子电池系统普遍存在离子半径过大、金属离子扩散势垒高、电化学动力学迟滞、比能力低下、能量密度不足及安全隐患等特征[20]。其缓慢的离子扩散速率制约了充放电效率，并导致循环过程中产生显著体积波动，进而引发结构机械脆性问题。基于这些限制条件，新型高科技电池正在研发中。因此，需要开发具有必要物理与电化学特性（如导电性、氧化还原电位、能力、催化活性等）的新颖化学组成与结构设计。为解决各类电池系统中的这些问题，研究人员已探究了多种具有优异电化学性能的新型材料[28]。原始金属有机框架（MOF）因其结构和化学特性在电池应用中极具吸引力[29]。其低密度、高比表面积和可调孔隙率共同提供了大量活性位点，促进了电极中的离子扩散。此外，其晶体结构高度有序且化学成分可调控，因此能够精确设计其电化学性能，使其成为极具通用性的储能体系。然而，尽管存在这些优势，原始MOF作为电池电极仍存在严重缺陷。大多数MOF固有的低电导率会阻碍充放电反应过程中的有效电子迁移。此外，其结构稳定性在反复电化学循环过程中通常不足，导致性能随时间衰减[30]。
为克服这些缺陷，通常将金属有机框架(MOFs)与其他功能材料复合以制备复合材料[31][32]。通过将MOFs与导电性(碳基)或电化学活性(如金属氧化物)组分结合，所得复合材料具有更优异的导电性、结构稳定性及整体电化学性能，从而更适合实际电池应用[33][34]。制备MOF复合材料时，可将MOFs与石墨烯、碳纳米管及金属氧化物聚合物等材料混合，在提升电化学反应活性和导电性的同时降低材料缺陷[35]。此外，MOFs衍生材料(如金属氧化物/碳复合材料)因其卓越的导电特性或独特的内部空隙结构，在储能领域引起了广泛关注[36][37]。杂原子（C、H、O、N和S）作为活性有机过程的位点，以及结构维度均可用于制备高纯度的金属有机框架材料（MOFs）及其复合材料[38][39]。%%科学界近年来对MOFs在能源相关研究中的兴趣显著增加，这源于其引人注目的特性——包括持久孔隙率与高比表面积[40]。MOFs由两个主要组成部分构成：通过强键合作用连接的人工合成单元与有机单元。%%通常以羧酸盐为代表的有机组分通过与无机金属簇的键合作用，形成具有多孔特性的三维晶体结构[41]。这些羧酸根基团的不同价态可构建含锌等金属离子的、具有多样孔径尺寸的三维结构。, Co2+Cu2+, Mg2+和 Ni2+离子[42]。当添加金属离子时，其粒径与体积会减小，从而形成1000-10000 m²/g的完整比表面积。2+在纳米尺度上[43][44]。由于其结构特征、尺寸、表面框架、导电性、维度与功能性的高度多样性，众多研究者已开发出大量具有二羧酸、三羧酸及不同长度多羧酸配体的MOFs材料[45]。除过渡金属离子外，某些p区元素（如铟、镓、锶和钡）也被用于其他MOFs的合成[46]。本综述全面探讨了MOFs及其复合物在电池领域的制备方法、应用场景与实际效用。2本文探讨了电池的重要性及其在日常生活中的作用。此外，通过结合多种物质以最大化电池效率，MOF的可靠性得到增强。由于MOF具有广阔的表面积，能增强电极-电解质相互作用并提升电池性能，我们选择将其应用于电池体系。MOF具备改善电池导电性、容量与倍率性能的<ability>能力