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MOFs通过可调孔结构、高比表面积和红ox活性位点显著提升金属离子电池（Li/Na/K/Zn）的容量、倍率性能及循环稳定性，作为电极、电解质和隔膜材料解决传统电池的离子传输受限、结构退化等问题，为下一代可持续能源存储提供设计策略。
阿弗林·汗（Afreen Khan）、穆罕默德·瓦卡斯·阿什拉夫（Muhammad Waqas Ashraf）、拉拉·巴赫鲁兹·马马多夫（Lala Bahruz Mammadov）、萨米·乌拉（Sami Ullah）、易卜拉欣·A·沙阿班（Ibrahim A. Shaaban）、苏丹·乌拉（Sultan Ullah）、法蒂玛·埃贾兹（Fatima Ejaz）、艾莎·萨纳（Ayesha Sana）、赛义德·肖艾布·艾哈迈德·沙阿（Syed Shoaib Ahmad Shah）、穆罕默德·阿尔塔夫·纳齐尔（Muhammad Altaf Nazir）
巴基斯坦巴哈瓦尔普尔伊斯兰大学化学研究所，巴哈瓦尔普尔，63100
摘要
传统电池电极由于活性位点有限、离子/电子传输速度慢、循环过程中结构衰变以及电极-电解质界面不稳定，导致其容量有限、倍率性能不佳且循环寿命较短。金属有机框架（MOFs）被用于电池中，以克服这些限制。MOFs在结构稳定性、体积变化缓冲以及持续离子传输方面具有显著优势，从而延长了电池的循环寿命。它们的大表面积和丰富的氧化还原活性位点使其具有较高的比容量，同时其可调的孔隙率确保了离子能够快速扩散，从而在高电流密度下实现更好的倍率性能。本综述全面总结了基于MOFs的材料在钠离子、钾离子、锂离子以及锌离子电池等不同类型电池中的应用进展。特别关注了MOFs的结构设计，因为定制的架构和孔隙工程直接影响离子扩散、电子传输以及整体电化学性能。最后，讨论了基于MOFs的电极在先进锂离子电池中的当前问题及未来发展方向，为下一代储能技术的合理结构设计提供了参考。
引言
生产可持续且环保的能源是21世纪最显著的趋势之一[1]。然而，传统的能源转换和储存材料存在诸多缺点，如能量密度低和效率不足[2]。随着能源需求的增长，研究风能、太阳能等可持续和可再生能源以及开发相应的低成本、高效、环保的储能技术变得至关重要[3][4][5][6][7][8]。毫无疑问，电池是最主流的储能技术之一，它能够减少对一次能源的依赖，实现可再生能源的储存并提高能源利用效率。锂离子电池因其卓越的能量密度、较长的使用寿命和轻量化设计而受到广泛关注。多项研究表明，电池的电极材料对其电化学性能有着重要影响[9][10][11]。自锂离子电池首次应用于便携式电子设备以来，它们在电动汽车和储能系统中发挥了重要作用。随着新材料、新工艺和新技术的不断涌现，二次电池的性能和应用前景将不断拓展[12][13][14][15][16][17]。开发出既能提升性能又能解决可扩展性挑战的电池技术是一项前沿挑战[18]。尽管锂离子电池目前占据市场主导地位，但由于资源限制、安全问题及性能衰减较快，它们无法长期使用[19][20]。因此，钠离子电池（SIBs）[21][22]、钾离子电池（PIBs）[23]和锌基电池[24]等替代方案正在研发中。作为锂离子电池的吸引人且经济可行的替代品，钠离子电池受到了大量研究关注[25][26]。这得益于钠的价格低廉和天然丰富性。然而，高性能钠离子电池电极的开发仍面临困难，因为Na+离子比Li+离子更重、体积更大，导致扩散动力学较慢[27][28][29]。钾离子电池（PIBs）也因价格低廉、钾资源丰富（23,000 ppm）、合适的电压平台以及较高的能量密度而成为有前景的候选者[30]。循环寿命是评估电池可靠性和性能的关键指标，但K+离子较大的离子半径（1.38 ?）常导致体积变化显著和氧化还原反应缓慢，进而引发结构劣化和性能下降[31][32]。水基锌离子电池（ZIBs）因资源丰富、成本低廉、环保且理论比容量高而受到关注[33][34][35]。与传统水系电池相比，锌离子电池具有更高的能量-功率密度，显示出良好的发展潜力[36][37]。
为了解决未来电池系统中存在的问题，许多研究致力于开发具有优异电化学性能的新材料。MOFs由有机配体和金属簇组成的重复单元构成，具有独特的材料特性，成为超导体的理想平台[40][41]。将其用作电极、隔膜甚至电解质，推动了锂离子、钠离子、钾离子和水系锌离子电池的新设计。尽管存在导电性低和结构稳定性不足的挑战，但MOF复合材料、衍生物和混合架构的最新进展显著提升了能量密度、倍率性能和循环寿命。氧化还原活性组分有望推动储能系统向更高效、安全和可持续的方向发展。随着下一代电化学储能技术的发展，MOFs作为关键组件的重要性日益凸显。
近年来，MOFs在电化学储能领域表现出极强的适应性，这得益于其可调节的孔隙率、丰富的氧化还原化学性质和多样的结构。尽管一些综述文章报道了基于MOFs的电池系统的进展，但大多数研究范围较为局限。例如，张等人分析了导电MOFs在锌离子电池中的应用，主要关注电荷传输和电化学性质[42]；宋等人研究了MOFs在锂离子电池中的多孔材料应用[43]；肖等人则关注了MOFs在锂硫电池中的作用，特别是多硫化物限域策略[44]。其他研究（如赵等人和崔等人的研究[45][46]）也提供了关于MOFs在特定电池部分或水系电池系统中的信息，但未能深入探讨组件集成、长期稳定性、可扩展性及可持续性等问题。
本综述旨在全面展示基于MOFs的材料在锂离子、钠离子、钾离子和锌离子电池等不同类型电池技术中的最新进展，重点探讨MOFs作为电极、隔膜和电解质组件的多功能特性，从而全面理解其在储能设备中的作用。同时，详细分析了主要的结构-性能关系、现有挑战及发展机遇，并展望了可持续和高性能MOF基电池系统的未来方向。通过综合分析和评价最新研究进展，本综述旨在填补现有知识的空白，为下一代储能技术的合理设计提供依据。
金属有机框架（MOFs）
金属簇与有机配体结合形成的MOFs具有三维、高度多孔的结构[47][48]。大表面积、可调的孔隙率以及能够容纳多种客体分子的能力是这些材料的显著特点[49]。凭借其独特的结构特性，MOFs能够提升储能设备中电解质、电极和阴极的性能。
基于MOFs的锂离子电池
锂离子电池（LIBs）凭借优异的能量密度、长循环寿命和低成本，在储能工程中得到广泛应用，如商业储能系统和电动汽车[71][72]。然而，其有限的理论容量（372 mAhg?1）使得现有商用石墨电极难以满足日益增长的储能需求[73]。对于传统阴极材料而言...基于MOFs的钠离子电池
钠离子电池（SIBs）作为更经济可行的替代品，受到了广泛关注[25][26]。钠的易获取性和低成本使其在大型系统和智能电网中成为具有吸引力的储能解决方案[139][140][141]。由于钠的半反应活性高于锂，开发水基钠离子电池也具有可行性...基于MOFs的钾离子电池
钾离子电池（PIBs）通常由电解质、隔膜、含钾阴极和不含钾的阳极组成，通过钾离子在电极间的传输实现能量储存。充电时钾离子从阴极穿过电解质进入阳极，放电时则反向移动[188]。PIBs因...基于MOFs的锌离子电池
水系锌离子电池因其高能量密度、低成本和良好的安全性而成为储能的理想选择[225][226][227]。锌金属在水溶液中表现出较低的平衡电位、较高的析氢过电位和良好的水稳定性[228][229]。1799年，沃尔塔（Volta）首次使用金属锌作为电池阳极[230]。为减少锌枝晶生长...结论与未来方向
MOFs作为一种有前景的材料，能够提升可充电电池的电化学性能。其多孔结构、可调结构和较大表面积有助于离子扩散、暴露活性位点并增加储能容量。在电池阳极中应用MOFs可提升倍率性能、能量密度和循环稳定性。MOFs还具备缓冲...作者贡献声明
阿弗林·汗（Khan Afreen）：撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据分析。穆罕默德·瓦卡斯·阿什拉夫（Muhammad Waqas Ashraf）：撰写与编辑、数据可视化、结果验证。拉拉·巴赫鲁兹·马马多夫（Lala Bahruz Mammadov）：撰写与编辑、软件开发、资源管理、数据整理。赛义德·肖艾布·艾哈迈德·沙阿（Syed Shoaib Ahmad Shah）：撰写与编辑、数据可视化、结果验证、项目监督。穆罕默德·阿尔塔夫·纳齐尔（Muhammad Altaf Nazir）：撰写与编辑、项目监督、概念构思。萨米·乌拉（Sami Ullah）：实验研究、数据分析。利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益或个人关系。致谢
作者感谢巴基斯坦巴哈瓦尔普尔伊斯兰大学化学研究所提供的研究支持，同时也感谢沙特阿拉伯国王哈立德大学科学研究办公室通过RGP-2/695/46号资助项目对本研究的支持。
利益冲突
作者声明不存在利益冲突。
