在传统的储能技术中，锂离子电池因其能量密度高而备受青睐。但同时面临着挑战，如锂枝晶生长刺穿隔膜、体积膨胀、电解液持续消耗而导致库仑效率低和电池寿命短等问题。因此，开发能够调控离子传输以抑制锂枝晶生成的隔膜材料成为焦点。金属有机框架（MOF）因其比表面积高、纳米孔道均一和化学可调性等优点，可用作隔膜的修饰层，有望实现高性能的功能化隔膜。

锂离子电池隔膜的主要特性

一、什么是MOF？

金属有机框架（MOF）是由无机金属离子和有机配体组成的新型多孔材料，具备以下特点：

·极高的比表面积与可调节的孔道结构

·丰富的活性位点与良好的结构可设计性

MOF结构示意图

这些特性使其在药物运输、吸附、储能和转化领域表现出优异的性能，尤其适用于电池隔膜的功能化设计，主要优势包括：

（1）可调控性：通过控制金属离子和有机配体、改变孔径，可以适应不同的电池需求。

（2）化学与热稳定性：可在宽温度范围内保持优异的化学和热稳定性，保障稳定的离子传输性能，延长电池寿命。

（3）离子输运特性：有序孔道结构和高比表面积有助于离子快速、均匀传输，提高电池效率。

 MOF基材料在能源转换和储存技术的应用

二、MOFs隔膜如何调控离子传输？

MOFs具有高度有序纳米孔隙，使用MOFs修饰的隔膜可以保证锂离子在纳米通道中均匀传输，实现均匀锂离子流的作用；同时避免杂质离子在正负电极之间穿梭从而降低离子电导率，进而降低电池的容量和多重性能。

（1）尺寸筛分与物理吸附

MOFs具有高度有序、孔径可调的纳米级孔道（通常< 2 nm）。可控制孔隙结构，使其仅适用于传输主要离子（锂离子Li⁺，水合离子半径较小），同时物理阻隔体积更大的过渡金属离子，或通过孔道内的范德华力将其吸附。

（2）化学吸附

经过极性官能团改性的MOFs具有离子筛分作用，孔道表面不同的功能团（如氨基、羧基、羟基等）具有离子配位的潜力，是化学吸附的强位点，可避免杂质离子在孔道中的扩散和吸附行为。

MOF-74-Zn去除Hg2+示意图

（3）离子交换

某些MOFs结构中的金属离子可以被电解液中迁移过来的、配位能力更强的过渡金属离子交换出来。通过这种离子交换，有害离子被吸附在MOFs骨架中。

U-MOF的结构和离子交换去除Cs+示意图

三、MOFs隔膜的三种形式

1、纯MOFs涂层隔膜

优点：热稳定性、化学稳定性和优异的吸附性能。

缺点：导电性较差、易团聚；成本较高，制备技术相对复杂，难应用于大规模工业生产。

2、MOFs复合材料隔膜

MOFs 基复合隔膜是指将MOFs嵌入到传统聚合物或纤维素隔膜中，以改善隔膜的性能。

优点：提高电池综合性能、成本相对较低（每1个17 mm×17 mm隔膜，价格为1.5~5元）。

缺点：需提高MOF颗粒分散性。

3、MOFs衍生物隔膜

MOFs 衍生物通常是指 MOF 经过高温碳化或在MOF的基础上引入其他官能团形成的一种多孔晶体材料。

优点：官能团可调、提升电池稳定性、离子电导率和容量。 

缺点：制备复杂、成本较高。

四、结语

MOFs材料为锂电池隔膜带来的不仅是性能的提升，更是安全性与寿命的双重保障。随着材料合成与工艺技术的不断进步，MOFs隔膜有望从实验室走向生产线，为下一代高安全、长寿命锂电池保驾护航。

参考文献：

[1] 肖鹏程,聂赛群,罗明亮,等.金属有机框架材料电池隔膜的最新应用[J].化学进展,2024.

[2] 李迪雄,肖迎波.基于氟化金属-有机框架材料的功能化隔膜设计及其在锂金属电池中的应用[J].材料研究与应用,2024.

[3] 刘祎.MOF涂覆聚烯烃隔膜的设计及其在锂金属电池中的应用研究[D].华中科技大学,2024.

[4] 殷贵杰.金属有机框架（MOFs）基锂离子电池多功能隔膜的应用研究[D].西南大学,2024.

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