河南大学赵俊伟团队：MOF如何稳定Li/Na/Zn金属负极？- 大数跨境

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河南大学赵俊伟团队：MOF如何稳定Li/Na/Zn金属负极？

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2020-12-05

导读：第一作者：胡媛媛通讯作者：杨凯、赵俊伟通讯单位：河南大学研究背景二次金属电池（如金属锂、钠、锌电池等）因其

第一作者：胡媛媛

通讯作者：杨凯、赵俊伟

通讯单位：河南大学

研究背景

二次金属电池（如金属锂、钠、锌电池等）因其能量密度高而得到越来越的多的关注。然而，无法控制的金属枝晶生长和无限的体积膨胀造成电池循环性能恶化以及严重的安全问题，这在很大程度上限制了他们的实际应用。近年来，金属有机框架材料及其衍生材料在构建高稳定性金属负极方面显示出了巨大的研究价值和应用可行性。此前，多篇工作总结了MOF及其衍生材料在储能领域的应用。然而，从MOF材料的组成和结构上深入剖析MOF基材料对金属锂、钠、锌负极稳定性影响的综合性探究工作仍然缺少，值得我们进行系统整理。

拟解决的关键问题

基于本课题组在配位化合物领域和储能领域的研究基础，本文通过总结近年来相关研究工作，系统分析了MOF类材料的组成和结构对金属负极稳定性的影响，揭示了MOF基负极保护材料的设计原则，为MOF基材料的设计、合成及其在先进储能领域中的应用提供指导性建议。

研究思路剖析

本文结合近年来相关研究工作，从MOF材料的框架结构、金属离子、有机配体和MOF衍生物四个角度，分类归纳MOF材料在改善离子（Li⁺，Na⁺，Zn²⁺）传输动力学、提高离子迁移数、优化金属负极界面、引导负极表面金属离子的均匀成核以及剥离/沉积方面的作用，并试图建立MOF材料在稳定金属锂、钠、锌负极方面的相互联系，从而总结出二次金属电池中MOF类负极保护材料的设计原则。

图文简介

图1. MOF中有序多孔结构在促进Li均匀沉积和抑制多硫离子穿梭方面的作用

要点1.规整有序的MOF多孔结构提供了丰富、分布均匀的Li⁺传输通道，促进了Li⁺的均匀沉积；通过调控MOF孔径，限制多硫离子传输能够有效限制多硫离子向负极扩散。

图2. MOF中的过渡金属阳离子促进MOF宿主对各种阴离子基团的吸附固定。

要点2.均匀分布的过渡金属阳离子使MOF中存在丰富的路易斯酸性位点能够捕获离子液体、电解质等材料中功能化的阴离子，从而有效改善MOF中的离子传输行为。

图3.MOF中功能化的有机配体对金属负极稳定性的影响

要点3. 有机配体的功能化为MOF材料的结构功能多样性提供了无限可能，通过有机配体功能化，改善了MOF材料中的离子传输行为和MOF-金属相容性，并能够进一步构建MOF颗粒之间联系，实现MOF-MOF的快速离子传输，这些对促进金属离子均匀沉积，提高负极界面稳定性具有主要作用。

图4. MOF衍生材料在促进均匀成核、改善负极结构稳定性等方面的应用策略。

要点4预植入成核种子是控制成核和枝晶生长的有效途径。导电三维多孔纳米材料能够有效降低电极中的电流密度，避免了不均匀的电荷富集，抵抗体积膨胀对电极结构的破坏。

图5. MOF及其衍生材料改善钠负极稳定性方面的研究工作。

要点5 金属钠电池由于其低成本和丰富的钠资源，被认为在电动汽车和电网方面极具应用前景。MOF及其衍生材料在改善钠离子传输，促进钠离子均匀成核方面也具有显著效果，但目前该方面的研究工作较少，具备广阔的研究空间。

图6. MOF及其衍生材料改善锌负极稳定性方面的研究工作。

要点6水系锌离子电池在成本、安全性、环保等方面具有显著优势，近年来逐渐成为储能领域研究热点。但由于水系电解液金属锌负极界面稳定性较差，导致锌负极存在严重的枝晶、腐蚀和表面钝化现象。MOF及其衍生材料能够有效促进Zn²⁺离子均匀传输，优化固-液界面，促进均匀成核，阻碍水分子对负极的影响，对锌负极起到很好的保护作用。

图7. 二次金属电池中MOF类负极保护材料的设计总结示意图。

意义分析

本文从MOF材料的框架结构、金属离子、有机配体和MOF衍生物四个角度和锂金属电池、钠金属电池和锌金属电池三个方向分类归纳MOF材料在改善离子（Li⁺，Na⁺，Zn²⁺）传输动力学、提高离子迁移数、优化金属负极界面、引导负极表面金属离子的均匀成核以及剥离/沉积方面的作用，并试图建立MOF材料在稳定金属锂、钠、锌负极方面的相互联系，为未来MOF基负极保护材料的发展提供了方向。此外，通过对MOF类负极保护材料设计原则的归纳总结，进一步提出MOF材料在改善钾负极稳定性方面的研究建议。

原文链接

Yuanyuan Hu， Ruxia Han，Ling Mei，Junlei Liu，Jianchao Sun，Kai Yang* and Junwei Zhao*, “Design principles of MOF-related materials for high stable metal anodes in secondary metal-based batteries”, Mater. Today Energy 2020.

DOI: 10.1016/j.mtener.2020.100608.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468606920302276

作者简介

赵俊伟，河南省特聘教授，河南省学术技术带头人，河南省优秀教师，河南省科技创新人才杰出青年基金获得者，河南省高校科技创新人才支持计划获得者，河南省高校科技创新团队带头人，主要从事多金属氧酸盐材料合成、组装、光电和药物活性等方面的研究，在国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Nano Energy、Energy Storage Mater.、Chem. Commun.、Chem. Eur. J.等上发表学术论文160余篇，被引用次数近7000余次。主持国家自然科学基金4项、省厅级项目9项，获省科技进步奖二等奖1项、省教育厅科技成果一等奖2项，授权国家发明专利6项。

期刊介绍：