综述：用于可充电电池的金属有机框架/碳复合材料的最新进展

《Contraception》：Recent advances of metal-organic frameworks/carbon composites for rechargeable batteries

金属有机框架/碳复合材料通过结构设计与导电网络优化显著提升电池性能，系统综述了其在锂离子、锂硫、钠离子等电池中的应用及多维度碳材料的协同效应，并探讨了规模化挑战与未来方向。

　　

郑刘|卢旭王|袁国强|冯万昌|张彦飞|庞环

扬州大学化学与材料学院，智能材料与清洁能源扬州重点实验室，先进能源跨学科研究中心，江苏省扬州市225002

摘要

近年来，金属有机框架（MOFs）由于其高度可调的纳米多孔结构和功能性多样性，逐渐成为研究热点。经过三十多年的发展，与MOFs相关的研究获得了2025年诺贝尔化学奖的认可。MOFs在多个领域展现出广泛的应用前景，特别是在能量存储和转换方面表现优异。随着全球向绿色能源的转型，作为关键推动力的电池技术对材料性能提出了更高要求。尽管MOFs在电池应用中具有巨大潜力，但其固有的导电性较差限制了进一步的发展。为应对这一挑战，研究人员探索了多种策略，其中将MOFs与碳基材料结合制备多功能复合材料已成为一种有效方法。这类材料结合了MOFs的结构可设计性和碳材料的优异导电性，产生了显著的协同效应，从而显著提升了电化学性能。目前，关于MOFs/碳复合材料在电池中应用的系统综述仍然较少。基于最近的研究进展，本文首先对碳材料的维度进行了分类，分析了复合材料的合成策略及其提高电极性能的机制，然后系统地探讨了这些复合材料在代表性电池系统中的应用，为未来的材料设计和储能设备开发提供了见解。

引言

金属有机框架（MOFs）是一类通过金属离子和有机配体通过配位键自组装形成的结晶多孔材料[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。它们具有可调的孔结构、高比表面积和多样的功能。自1989年首次发现以来，MOFs因其对结构和功能进行精确分子级控制的能力而吸引了广泛的研究兴趣。当该领域获得诺贝尔化学奖时，标志着其从基础科学向商业化和应用多样化阶段的重大转变[7]、[8]、[9]、[10]。目前，MOFs在多个领域逐渐展现出商业潜力，包括碳捕获、水处理和能量存储[11]。

在绿色和可持续发展的原则日益重要的时代，环境友好性已成为社会进步的关键指标[12]。作为全球能源转型的关键驱动力，电池技术的创新进展尤为重要。MOFs在电池系统中具有广泛的应用前景，但其固有的导电性较差限制了实际性能。为了解决这个问题，研究人员提出了多种策略，主要包括将MOFs高温碳化以制备导电碳材料，或与碳材料物理混合以提高导电性[13]、[14]。

另一方面，常用的碳基材料（如碳量子点、碳纳米管、石墨烯和多孔碳球）作为独立电极时表现出优异的导电性。然而，在长期循环过程中，它们会面临电极钝化（由于反应产物沉积和枝晶生长）等问题，这限制了它们的进一步应用。利用MOFs和碳材料的互补结构和性能特点（图1），研究人员开发了一种新型多功能材料——MOFs/碳复合材料，基于协同效应[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。这种协同效应不仅仅是简单的叠加。在MOFs/碳复合材料中，界面区域产生了单个组分中不存在的新活性位点，从而加速了电子传输并降低了电荷传输阻力。此外，碳基质提供了结构约束，抑制了MOFs的聚集或溶解，使其能够实现理论上的容量，否则这是无法实现的。同时，MOF组分调节了离子传输路径，促进了碳表面的均匀电荷分布，并抑制了电池内部的不良现象（如枝晶生长）[21]、[22]。因此，这些复合材料保留了MOFs的结构可调性和高比表面积，同时结合了碳材料的优异导电性和稳定性，显著提升了电化学储能系统的性能[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。MOFs/碳复合材料中均匀连续导电网络的形成主要归因于MOFs在预先形成的或预功能化的碳基底上的原位成核和生长，这一过程由分子间相互作用介导。这与原位方法（将预先合成的MOF颗粒与碳材料物理混合或组装）有所不同。与原位方法相比，原位策略使所得复合材料在后续衍生过程中能够保持其特定的结构，这得益于这些内在的界面相互作用[28]、[29]、[30]。此外，原位生长通常会导致更强的界面键合和更均匀的复合结构，而原位方法虽然简单，但可能存在相分离等问题。

目前，关于MOFs/碳复合材料在电池技术中应用的系统综述仍然较少。因此，本文研究了MOFs/碳复合材料对电池电化学性能的提升。基于最近的研究数据，本文从碳材料维度的新视角进行了系统分析。首次系统地阐明了不同维度MOFs和碳基底之间的相互作用，解释了如何利用它们的结构差异在电极架构中实现特定和不同的功能。然后全面回顾了这些复合材料在锂离子电池（LIBs）、锂硫电池（LSBs）、钠离子电池（SIBs）、锌离子电池（ZIBs）、金属空气电池（MABs）和其他新型电池系统中的应用进展。最后，总结了MOFs/碳复合材料大规模生产和实际应用面临的挑战及未来研究方向（图2）。

章节摘录

不同尺寸的导电碳基底

MOFs的高比表面积、可调的孔隙率和丰富的活性位点使其成为电池技术应用的有希望的候选材料。然而，这些材料的电化学性能受到固有问题（如不希望的电子传导、结构不稳定性和循环过程中的溶解倾向）的根本限制。将MOFs与碳基基底结合已被证明是一种可行的方法来应对这些挑战[31]。

MOFs/碳复合材料在电池中的应用研究

能源问题是支撑经济和社会发展的基础和核心驱动力，影响着国家繁荣、民生改善和长期社会稳定[75]、[76]、[77]。在工业化过程中，化石燃料的大规模开发和利用极大地推动了人类文明的进步，但同时也引发了一系列严重挑战，包括资源枯竭、气候变化和地缘政治冲突[78]、[79]、[80]。

结论与展望

本文的总结如下（图15）。

本综述系统地回顾了由MOFs和碳基材料组成的多功能材料在各种电池系统中的应用研究。首先从碳材料的维度特性出发，分析了1D、2D和3D碳材料与MOFs复合材料的结构优势、界面协同效应以及目前面临的关键挑战。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（22475185和52371240）、江苏省（扬州）重点基础研究计划（BK20253046）以及扬州创新能力提升基金/计划（SCX2025020017）的支持。