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https://doi.org/10.1007/s40820-021-00726-z 3. 提出新型可充电电池应用中MOF基材料面临的挑战和发展策略。 图1. 用于Li-S电池的MOF基材料。(a) Ni-MOF的结构;(b) Ni₃(HITP)₂的晶体结构;(c) MOF-199的晶体结构;(d) ppy-MOF结构设计的三个准则;(e) 固定多硫化物的 Li₃PS₄功能化Zr-MOF原理示意图;(f) B/2D MOF-Co修饰隔膜的示意图;(g) CoP@HPCN/S的合成过程示意图;(h) Co₉S₈-Celgard组装示意图和锂硫电池的循环性能;(j) CP@NCNT@CoS₃合成示意图;(k) CC@CS@HPP硫电极的充放电曲线;(l) Co₂B和Co₃O₄表面与多硫化物化学吸附的第一性原理计算。 MOF/MOF复合材料及其衍生物由于其独特的孔道、开放的金属活性位点和结构稳定性,在Li-O₂电池研究方面显示出巨大的潜力(图2)。当前研究阶段,MOF/MOF复合衍生物表现出高导电性和良好的化学稳定性,可直接用作Li-O₂电池的双功能催化剂;MOF的孔结构和功能活性位点通过进一步优化,可在Li-O₂电池中的隔膜和电解质材料的设计中实现有效应用;具有高极性、层次结构和丰富亲锂位点的MOF基材料的开发也有望实现Li-O₂电池中的锂金属负极的有效防护。 图2. 用于Li-O₂电池的MOF基材料。(a) MOF的晶体结构和(b) 充放电曲线;(c) Cu-MOF-74孔道中Li扩散路径示意图;(d) H-ZIF-8[2S, 3S, 4S, 5S]透射电子显微镜图;(e) SNP-包覆 H-ZIF-8[nS]形成过程示意图;(f) 基于MOF复合材料的MMM原理示意图;(g) N掺杂石墨烯/石墨烯管的合成示意图和(h-i) 透射电子显微镜图像;Co-SAs/N–C材料的(j) X射线吸收精细结构和(k) 锂氧电池的充放电曲线;(l) CoNC-CNFs合成示意图;(m) 3DP-NC-Co的制备示意图。 面向钠离子电池、钾离子电池材料的创新研发,MOFs、MOF复合材料、MOF衍生物和MOF复合衍生物同样具有重要的研究价值(图3),但需要改进如结构不稳定性、固有的高表面积和差的导电性等不足,实现孔隙率、结构和电导率之间的协调性和平衡性,以消除MOFs基材料的应用所导致的循环稳定性差、初始CE和体积能量密度低以及倍率性能差等缺陷。 IV 锌离子电池 图4. 用于锌离子电池的MOF基材料。(a) Cu₃(HHTP)₂的晶体结构;(b) ZnMOF-808的晶体结构;(c) 无定形V₂O₅中Zn2⁺扩散途径和Zn2⁺(脱)嵌入能的示意图;(d) 有缺陷的碳层涂覆的3D CF上均匀的锌沉积和横向生长示意图;(e) 原始CF (Pcf)、无缺陷CF (CZ-1)和有缺陷CF (CZ-5)的库伦效率。 V 锌空气电池 图5. 用于锌空气电池的MOF基材料。(a) 3D M-HIB-MOFs的结构示意图;(b) Ni/Fe-BTC MOFs共轭体系示意图;(c) CoNiMOF/RGO催化剂结构示意图;(d) Ti₃C₂ Tₓ−CoBDC杂化物的结构示意图;(e) FeNiCo@NC-P的结构示意图;FeNiCo@NC-P、FeNi@C/Co@NC-P和Pt/C+Ir/C混合物的(f) 充放电曲线和(g) 放电曲线和相应的功率密度曲线;(h) CoSA+Co₉S₈/HCNT的合成示意图。 VI 总结和展望 近年来,MOF基材料在新型可充电电池领域取得了重要进展。然而,基于MOF的先进纳米结构的合理设计仍处于研究的早期阶段,多数研究仅限于 ZIFs家族(ZIF-8和ZIF-67)和PBAs等。探索合成新型MOFs/MOF复合材料及其衍生物的策略,明晰内在储能机制是关键。同时,需要对MOF材料结构进行设计和优化,通过原位表征探究MOF基材料电化学过程中的反应机制(图6)。此外,制备MOF的高成本和带来的环境问题仍然阻碍其实际应用,这需要在未来的研究中努力攻关实现突破。 基于大规模储能、新能源汽车、航空航天、国防军事等领域对高性能电池的重大需求,针对高比能长航时电池新体系的设计与制造、二次电池安全性/温度适应性、超薄/轻质/长寿命特种储能器件及关键材料研制等科学问题和技术难点,聚焦关键能源材料与电池新体系的创新突破,开展:(1)离子液体及新型功能复合电解质材料;(2)多电子高比能新型二次电池及关键材料;(3)特种功能电源及异构纳米材料;(4)绿色二次电池设计与资源化利用等具有原创性的研究工作。 ▍主要研究成果 ▍Email: chenrj@bit.edu.cn 电化学储能材料。 ▍主要研究成果叶正青
Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、PubMed Central、DOAJ、CSCD、知网、万方、维普、超星等数据库收录。2020 JCR影响因子IF=16.419,在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore=15.9,材料学科领域排名第4 (4/123)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。
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