金属有机框架(MOFs)材料在锂离子电池及锂金属电池电解液中的应用

doi:10.6023/A20090442

化学学报 ›› 2021, Vol. 79 ›› Issue (2): 139-145.DOI: 10.6023/A20090442 上一篇下一篇

所属专题：多孔材料：金属有机框架(MOF)

研究展望

金属有机框架(MOFs)材料在锂离子电池及锂金属电池电解液中的应用

常智^b^,^c, 乔羽^b, 杨慧军^b^,^c, 邓瀚^b^,^c, 朱星宇^b^,^c, 何平^a, 周豪慎^a^,^b^,^c^,^*()

a 南京大学储能材料与技术中心现代工程与应用科学学院固体微结构国家重点实验室人工微结构科学与技术协同创新中心中国南京 210093
b 产业技术综合研究所(AIST) 能源技术研究所筑波305-8568 日本
c 日本国立筑波大学(University of Tsukuba) 系统与信息工程研究生院筑波305-8573 日本

投稿日期:2020-09-23 发布日期:2020-11-10
通讯作者: 周豪慎

作者简介:

常智, 2017年4月于南京航空航天大学材料科学与技术学院取得硕士学位. 2020年9月于日本国立筑波大学和日本产业技术综合研究所(AIST)取得博士学位. 主要研究方向为高比能锂金属电池体系研发, 具体涉及: 锂-硫电池、锂金属负极以及相应的电解液/质体系.

周豪慎, 1985年获南京大学物理系学士学位, 1994年获日本国立东京大学博士学位. 现任南京大学现代工程与应用科学学院教授, 长江学者. 兼任日本国立产业技术综合研究所(AIST)首席研究员、日本国立筑波大学教授. 兼任Science Bulletin常务副主编, Energy Storage Materials副主编. 长期从事能源材料、气体传感器、太阳能电池、超级电容器、二次电池、锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池、下一代储能器件等的研究和开发.

* E-mail: hszhou@nju.edu.cn

基金资助:
国家重点研究发展计划(2016YFB0100203); 国家自然科学基金(21673166); 国家自然科学基金(21633003); 国家自然科学基金(u1801252)

Applications of Metal-organic Frameworks (MOFs) Materials in Lithium-ion Battery/Lithium-metal Battery Electrolytes

Zhi Chang^b^,^c, Yu Qiao^b, Huijun Yang^b^,^c, Han Deng^b^,^c, Xingyu Zhu^b^,^c, Ping He^a, Haoshen Zhou^a^,^b^,^c^,^*()

a Center of Energy Storage Materials & Technology, College of Engineering and Applied Sciences, National Laboratory of Solid State Microstructures, and Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures, Nanjing University, Nanjing 210093, China
b Energy Technology Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tsukuba 305-8568, Japan
c Graduate School of System and Information Engineering, University of Tsukuba, 1-1-1, Tennoudai, Tsukuba 305-8573, Japan

Received:2020-09-23 Published:2020-11-10
Contact: Haoshen Zhou
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2016YFB0100203); National Natural Science Foundation of China(21673166); National Natural Science Foundation of China(21633003); National Natural Science Foundation of China(u1801252)

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摘要/Abstract

总结了金属有机框架(MOFs)材料在锂离子电池电解液中的研究进展. 通过归纳锂离子电池长期存在的一些缺陷, 随后将MOFs材料作为离子筛、人造负极保护层、准固态电解质以及用来调节电解液构型, 使得锂离子电池的性能得到显著提升. 最后, 基于MOFs材料本身的特性, 还对MOFs材料在电化学储能领域中的后续应用进行了合理地前瞻性展望.

关键词: 金属有机框架(MOFs), 锂离子电池, 离子筛, 负极保护, 准固态电解质

This perspective summarizes the research progress of metal-organic frameworks (MOFs) materials used in lithium-ion battery/lithium-metal electrolytes. By summarizing several long-standing defects of lithium-ion batteries/lithium- metal batteries, MOFs materials are subsequently used as ion sieves, artificial electrode protective layers, quasi-solid electrolytes and used to adjust electrolytes’ configuration, the performance of batteries has been significantly improved. Finally, based on the characteristics of MOFs materials themselves, this perspective also makes a reasonable forward-looking outlook on the subsequent applications of MOFs materials in the field of electrochemical energy storage.

Key words: metal-organic framework (MOF), lithium-ion battery, ion sieves, negative electrode protection, quasi-solid electrolyte

引用此文

常智, 乔羽, 杨慧军, 邓瀚, 朱星宇, 何平, 周豪慎. 金属有机框架(MOFs)材料在锂离子电池及锂金属电池电解液中的应用[J]. 化学学报, 2021, 79(2): 139-145.

Zhi Chang, Yu Qiao, Huijun Yang, Han Deng, Xingyu Zhu, Ping He, Haoshen Zhou. Applications of Metal-organic Frameworks (MOFs) Materials in Lithium-ion Battery/Lithium-metal Battery Electrolytes[J]. Acta Chimica Sinica, 2021, 79(2): 139-145.

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图/表 5

图1. 金属有机框架作为离子筛提升锂-硫电池的电化学性能. (a~c) CuBTC MOF作为锂硫电池隔膜抑制多硫化锂穿梭, 提高锂-硫电池电化学性能[37]. 经参考文献[37]许可转载, 版权2016自然出版集团. (d~f)二维层状导电Ni3(HITP)2 MOF作为多硫化锂分子筛提升锂-硫电池循环稳定性[38]. 经参考文献[38]许可转载, 版权2018 Wiley-VCH.

Figure 1. Metal-organic frameworks (MOFs) act as an ion sieves to improve the electrochemical performance of lithium-sulfur (Li-S) batteries. (a~c) CuBTC MOF used as a Li-S battery separator to inhibit lithium polysulfide shuttling and improve the electrochemical performance of Li-S batteries[37]. Reprinted with permission from ref. [37], copyright 2016 Nature Publishing Group. (d~f) Two-dimensional layered conductive Ni3(HITP)2 MOF is used as a lithium polysulfide molecular sieve to improve the cycle stability of Li-S batteries[38]. Reprinted with permission from ref. [38], copyright 2018 Wiley-VCH.

图2. 金属有机框架作为离子筛提升锂离子电池的电化学性能. (a~c) CuBTC MOF作为隔层, 分隔两种不同的电解液, 抑制电解液的相互穿梭, 实现组合电解液的电池设计, 最终提升LNMO//Graphite电池的电化学性能[41]. 经参考文献[41]许可转载, 版权2018 Wiley-VCH.

Figure 2. MOF acts as an ion sieves to improve the electrochemical performance of lithium ion batteries. (a~c) CuBTC MOF is used as a separator to separate two different electrolytes, inhibited the mutual shuttle of electrolytes, realized the battery design of combined electrolytes, and finally improved the electrochemical performance of LNMO//Graphite battery[41]. Reprinted with permission from ref. [41], copyright 2018 Wiley-VCH.

图3. (a)锂枝晶的生长示意图: 使用原始电解质的循环后的锂金属电极的示意图(上图); 使用MOF保护层的循环后锂金属电极示意图(下图). (b)锂离子在MOF孔道内传导的示意图. (c)使用常规电解液和MOF保护层的锂//锂对称电池的电化学性能对比以及(d)对应的循环后的电极形貌图对比[46]. 经参考文献[46]许可转载, 版权2018 Wiley-VCH.

Figure 3. (a) Schematic diagram of the growth of lithium dendrites: a schematic diagram of a lithium metal electrode after cycling using the original electrolyte (top); a schematic diagram of a lithium metal electrode after cycling with a MOF protective layer (bottom). (b) Schematic diagram of lithium ion conduction inside MOF channels. (c) Comparison of electrochemical performance of Li//Li symmetric batteries using conventional electrolyte and MOF protective layer and (d) comparison of the corresponding electrode morphologies after cycling[46]. Reprinted with permission from ref. [46], copyright 2018 Wiley- VCH.

图4. 金属有机框架作为准固态电解质提升锂金属电池的电化学性能. (a, b) UiO-67 MOF作为辅助锂离子导体, 提高LiCoO2//Li电池电化学性能[47]. 经参考文献[47]许可转载, 版权2018 Elsevier. (c~e) MOF在被填入部分液态电解液后作为准固态电解质用于LiFePO4//Li电池[48]. 经参考文献[48]许可转载, 版权2018 Wiley-VCH.

Figure 4. The metal organic framework serves as a quasi-solid electrolyte to improve the electrochemical performance of lithium metal batteries. (a, b) UiO-67 MOF serves as a lithium ion conductor to improve the electrochemical performance of LiCoO2//Li batteries[47]. Reprinted with permission from ref. [47], copyright 2018 Elsevier. (c~e) MOF is used as a quasi-solid electrolyte for LiFePO4//Li batteries after being filled with part of the liquid electrolyte[48]. Reprinted with permission from ref. [48], copyright 2018 Wiley-VCH.

图5. MOF (ZIF-7)孔道内电解液的拉曼光谱. (a) DME分子的不同构型及其稳定性示意图. 不同情况下, (b) DME分子、(c) Li-DME相互作用以及(d) TFSI-对应的拉曼光谱结果. (e)根据实验结果绘制的MOF孔内电解液的结构示意图. (f)各电解液的线性扫描伏安(LSV)曲线结果. (g) 使用 “Li +去溶剂化电解液(醚类)”的有限金属锂(两倍过量的Li)和NCM-811配对的NCM-811//Li全电池的电化学循环性能[49]. 经参考文献[49]许可转载, 版权2020 Cell Press.

Figure 5. Raman spectrum of electrolyte in MOF (ZIF-7) channel. (a) A schematic diagram of DME molecules with different configurations and the corresponding stability under different circumstances, and Raman spectra of (b) DME molecules, (c) Li-DME interaction and (d) TFSI-. (e) A schematic diagram of the structure of the electrolyte in the MOF hole drawn according to the experimental results. (f) Linear sweep volt-ampere (LSV) curve results of each electrolyte. (g) The electrochemical cycling performance of NCM-811//Li full-cell based on limited metal lithium (two times excess Li) using "Li+ desolvated ether-based electrolyte"[49]. Reprinted with permission from ref. [49], copyright 2020 Cell Press.

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金属有机框架(MOFs)材料在锂离子电池及锂金属电池电解液中的应用

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