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  近日北京大學(xué)工學(xué)院鄒如強(qiáng)課題組應(yīng)邀在Cell旗下期刊Joule上發(fā)表綜述，系統(tǒng)總結(jié)了關(guān)于金屬有機(jī)框架材料（MOFs）用于可充放電電池的研究進(jìn)展，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了MOFs的發(fā)展策略和面臨的挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的潛在解決方法。

  能源短缺和環(huán)境污染是全球面臨的兩個(gè)難題，開(kāi)發(fā)利用以環(huán)保和可持續(xù)為特點(diǎn)的新能源（太陽(yáng)能、潮汐能等）越來(lái)越得到各國(guó)的重視。相應(yīng)的，研究開(kāi)發(fā)高性能的儲(chǔ)能器件成為研究的熱點(diǎn)。作為電化學(xué)儲(chǔ)能器件，高容量、低成本的新型電池的研發(fā)也備受關(guān)注。目前，可充放電池依舊以鋰離子電池為主，但傳統(tǒng)鋰離子電池（以石墨和嵌鋰過(guò)渡金屬氧化物為電極材料）的容量已接近其理論容量，卻依舊無(wú)法滿足市場(chǎng)（比如電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)）的需求。鋰硫電池、鋰空氣電池理論比容量是鋰離子電池的10-20倍，鈉離子電池具有低成本的優(yōu)勢(shì)，但目前均存在一些技術(shù)難題。金屬有機(jī)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飾性、可調(diào)控的孔道結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成等，近幾年在電池領(lǐng)域受到了極大的關(guān)注。有大量的研究者報(bào)道了設(shè)計(jì)合成具有特殊物理化學(xué)性質(zhì)的MOFs及其衍生材料用于包括鋰離子電池、鋰硫電池、鋰空氣電池、鈉離子電池等可充放電電池中正極、負(fù)極以及電解質(zhì)的工作。在取得很大研究進(jìn)展的同時(shí)，MOFs及其衍生材料在電池領(lǐng)域的應(yīng)用也面臨著很多挑戰(zhàn)。

金屬有機(jī)框架及其衍生材料在電池領(lǐng)域的應(yīng)用

  近期，鄒如強(qiáng)課題組和日本AIST徐強(qiáng)教授課題組系統(tǒng)總結(jié)了MOFs及其衍生材料用于可充放電電池的最新研究進(jìn)展，并針對(duì)特定電池對(duì)材料的不同要求和存在的挑戰(zhàn)進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)。對(duì)于鋰離子電池，具有氧化還原活性和豐富鋰插嵌位點(diǎn)的MOFs是比較好的選擇，但是目前純MOFs作為電極材料仍存在比容量低、首次循環(huán)庫(kù)倫效率低、導(dǎo)電性差等挑戰(zhàn)。對(duì)于鋰硫電池，具有能夠吸附多硫化鋰位點(diǎn)的MOFs更具實(shí)用價(jià)值，另外導(dǎo)電組分的引入也能讓MOFs作為載硫材料具有更好的電化學(xué)性能。MOFs用于鋰空氣電池的研究還比較少，其中MOFs作為選擇性膜以隔絕空氣中的水分和二氧化碳也是一個(gè)研究方向。對(duì)于鈉離子電池，具有氧化還原活性、好的晶體結(jié)構(gòu)完整性、足夠大的鈉離子鑲嵌位點(diǎn)的MOFs更有潛力，但同時(shí)也面臨著和鋰離子電池類(lèi)似的挑戰(zhàn)。很多研究還以MOFs作為犧牲模板，制備具有特殊化學(xué)組成和孔道結(jié)構(gòu)的碳、金屬化合物以及它們的復(fù)合物等衍生材料。和MOFs相比，這些衍生材料具有導(dǎo)電性好、容易合成復(fù)雜結(jié)構(gòu)、具有特殊的電化學(xué)活性位點(diǎn)等特點(diǎn)，在電池領(lǐng)域有著更為出色的應(yīng)用前景。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，需要對(duì)電池的質(zhì)量/體積比能量密度、倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性和成本進(jìn)行綜合考慮，只有這樣，MOFs及其衍生材料才有機(jī)會(huì)真正走出實(shí)驗(yàn)室、走向工業(yè)化應(yīng)用。

高性能電極材料制備準(zhǔn)則

  相關(guān)論文在線發(fā)表在Joule上，第一作者是工學(xué)院博士生趙若，博士生梁子彬?yàn)楣餐髡撸摴ぷ鞯玫絿?guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃等經(jīng)費(fèi)支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.09.019