工学院邹如强课题组发表关于金属有机框架在电
作者: 英超水晶宫 来源: 未知 发布时间:2018-11-30 18:37

  上发表综述,系统总结了关于金属有机框架材料(MOFs)用于可充放电电池的研究进展,重点强调了MOFs的发展策略和面临的挑战以及相应的潜在解决方法。

  能源短缺和环境污染是全球面临的两个难题,开发利用以环保和可持续为特点的新能源(太阳能、潮汐能等)越来越得到各国的重视。相应的,研究开发高性能的储能器件成为研究的热点。作为电化学储能器件,高容量、低成本的新型电池的研发也备受关注。目前,可充放电池依旧以锂离子电池为主,但传统锂离子电池(以石墨和嵌锂过渡金属氧化物为电极材料)的容量已接近其理论容量,却依旧无法满足市场(比如电动汽车市场)的需求。锂硫电池、锂空气电池理论比容量是锂离子电池的10-20倍,钠离子电池具有低成本的优势,但目前均存在一些技术难题。金属有机框架材料(MOFs)及其衍生材料得益于高孔隙率、高度的可功能化和可修饰性、可调控的孔道结构和化学组成等,近几年在电池领域受到了极大的关注。有大量的研究者报道了设计合成具有特殊物理化学性质的MOFs及其衍生材料用于包括锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池、钠离子电池等可充放电电池中正极、负极以及电解质的工作。在取得很大研究进展的同时,英超水晶宫,MOFs及其衍生材料在电池领域的应用也面临着很多挑战。

  近期,邹如强课题组和日本AIST徐强教授课题组系统总结了MOFs及其衍生材料用于可充放电电池的最新研究进展,并针对特定电池对材料的不同要求和存在的挑战进行了详细的总结。对于锂离子电池,具有氧化还原活性和丰富锂插嵌位点的MOFs是比较好的选择,但是目前纯MOFs作为电极材料仍存在比容量低、首次循环库伦效率低、导电性差等挑战。对于锂硫电池,具有能够吸附多硫化锂位点的MOFs更具实用价值,另外导电组分的引入也能让MOFs作为载硫材料具有更好的电化学性能。MOFs用于锂空气电池的研究还比较少,其中MOFs作为选择性膜以隔绝空气中的水分和二氧化碳也是一个研究方向。对于钠离子电池,具有氧化还原活性、好的晶体结构完整性、足够大的钠离子镶嵌位点的MOFs更有潜力,但同时也面临着和锂离子电池类似的挑战。很多研究还以MOFs作为牺牲模板,制备具有特殊化学组成和孔道结构的碳、金属化合物以及它们的复合物等衍生材料。和MOFs相比,这些衍生材料具有导电性好、容易合成复杂结构、具有特殊的电化学活性位点等特点,在电池领域有着更为出色的应用前景。对于实际应用,需要对电池的质量/体积比能量密度、倍率性能、循环稳定性和成本进行综合考虑,只有这样,MOFs及其衍生材料才有机会真正走出实验室、走向工业化应用。

  相关论文在线发表在Joule(DOI:)上,第一作者是工学院博士生赵若,博士生梁子彬为共同作者,该工作得到国家自然科学基金委、国家重点基础研究发展计划等经费支持。