ChemPhysMater丨「山东大学冯金奎课题组」金属有机框架(MOFs)及其衍生物用于稳定金属锌负极的研究进展
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文 章 引 用
Chuanliang Wei, Liwen Tan, Yuchan Zhang, Shenglin Xiong, Jinkui Feng. Metal-organic frameworks and their derivatives in stable Zn metal anodes for aqueous Zn-ion batteries, ChemPhysMater, 1(2022), 252-263.
https://doi.org/10.1016/j.chphma.2021.09.003
研 究 目 的
金属锌具有电化学电势低(−0.76 V)、理论比容量高(820 mAh g−1)、成本合理、环境友好、易于加工、化学活性较低等优势,因此其被认为是最有前途的水系锌离子电池负极材料之一。但是,一些问题阻碍着金属锌负极的进一步发展和应用。这些问题包括不可控的锌枝晶生长、水系电解液对金属锌的腐蚀、充放电过程中锌电极较大的体积波动、不稳定的界面等。
近年来,金属有机框架(MOFs)及其衍生物在解决金属锌负极问题方面展现出巨大的优势,一些研究成果被陆续报道。对这些研究成果进行及时总结和分析是十分必要的。
研 究 内 容
近日,山东大学材料科学与工程学院冯金奎教授课题组综述了MOFs及其衍生物在解决金属锌负极问题方面的研究进展,同时提出了一些观点和展望。相关研究成果以“Metal-organic frameworks and their derivatives in stable Zn metal anodes for aqueous Zn-ion batteries”为题发表在国际期刊ChemPhysMater上,魏传亮博士为第一作者。
▲图1 MOFs及其衍生物在稳定金属锌负极方面的应用
主 要 结 果
MOFs及其衍生物在解决金属锌负极存在的问题时具有很多内在优势。第一,MOFs的结构具有可调节性。因此,可以设计具有特殊结构的MOFs(比如MOF薄膜)用于解决金属锌负极存在的问题。第二,MOFs可以原位生长在很多基底上(如隔膜、集流体、锌箔等),这可以用来调控金属锌的沉积行为。第三,MOFs具有丰富多样的官能团,可以用来调控锌离子流,进而促进均匀的锌沉积。第四,MOFs能够被碳化为含有金属位点的多孔碳。这种多孔碳可以用作金属锌的宿主,以解决金属锌负极的体积膨胀问题。第五,MOFs具有规律性的内部通道,可以用来调控锌离子的传输行为,进而诱导均匀的锌沉积。
因此,MOFs及其衍生物可以通过以下方式解决金属锌负极存在的问题:界面改性、为无宿主的金属锌设计MOF基宿主、修饰隔膜以调控锌离子的传输、构筑MOF基固态电解质以减小水系电解质对金属锌负极的腐蚀等。
结 论
MOFs及其衍生物能够有效地缓解金属锌负极存在的问题。但是相关研究才刚刚起步,处于萌芽阶段。以往的研究主要通过基于MOF的界面改性来解决金属锌负极存在的问题,采用的MOF种类也较少。此外,很多研究只是处于概念验证阶段,缺乏系统而深入的研究。因此,未来还需要大量的相关研究,比如增加MOF的应用种类、开发MOF基电解质添加剂、设计MOF基异质结、评估全电池的性能等。
▲图2 未来可选择的研究方向
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期刊介绍
ChemPhysMater
(《化学物理材料(英文)》)
《ChemPhysMater》英文期刊由山东大学联合科爱(KeAi)出版社合作创办,已于2019年入选国家卓越计划高起点新刊项目。 该刊已加入Golden Open Access,文章一经录用,将发表在ScienceDirect平台全文开放获取,2023年12月31日前投稿,免收发表费。
ChemPhysMater以创办世界一流的化学、物理、材料领域的学术期刊为目标,瞄准多学科交叉研究的动态和原创性的重大研究成果,涵盖的主题包括但不限于:
材料的合成、组装及应用,包括一维和二维纳米材料、胶体粒子、薄膜和凝胶等
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原子和分子物理学
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