AEnM:锂硫电池“遇见”金属有机框架材料

围绕实现碳达峰、碳中和的目标,加快构建绿色能源体系,发展高效的电化学储能技术是必然选择。在众多储能技术中,锂硫(Li-S)电池作为高能量密度电池的代表,被认为是下一代储能技术的重要候选之一。近十年,Li-S电池的各项性能指标(容量、寿命、效率等)均取得了长足进步。然而,目前仍面临着诸多问题,包括较差的离子/电子导电性、多硫化物穿梭效应、缓慢的反应动力学和不可控的锂枝晶等。因此,发展实用型Li-S电池仍然还有很长的路要走。

调控Li-S电池中电活性组分的扩散和反应过程是解决这些问题的根本。不同结构、尺寸和荷电性的电活性物种,在不同的电化学微环境中,扩散和反应过程对材料的组成/结构的需求存在较大差异,对材料的可设计性提出了更高的要求。发展和应用新材料体系可为Li-S电池的发展注入新活力。金属有机框架(MOFs)材料是一类新兴的有机-无机杂化的多孔晶体,在气体吸附分离、催化和储能领域已展现了良好的应用潜力。多种金属节点、可设计有机配体和不同连接方式,可在分子水平上实现材料孔化学(孔尺寸、孔形状和孔环境)的定制,极大地丰富了多孔材料体系。同时,根据晶体材料合成的经验,选择不同的路径,可实现MOFs材料从零维、一维、二维到三维的形貌控制。将MOFs材料引入到Li-S电池体系中,其可定制的结构优势为调控Li-S电池中各种电活性材料的扩散和反应过程提供了更多和更精准选择。

中国科学院金属研究所李峰研究员团队,聚焦Li-S电池中的基本问题和MOFs的结构优势,重点讨论了可调MOFs的成分/结构与Li-S电池中电活性物种之间相互作用,提出功能导向的MOFs结构精准设计和绿色规模化制备是未来MOFs基电化学储能体系的重要研究方向,同时指出电化学体系中MOFs材料的化学、电化学及热稳定性是需要重点关注的方面。

论文信息:

Tunable Interaction between Metal-Organic Frameworks and Electroactive Components in Lithium-Sulfur Batteries: Status and Perspectives

Fulai Qi, Zhenhua Sun*, Xialu Fan, Zhenxing Wang, Ying Shi, Guangjian Hu, Feng Li*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202100387