综述：自支撑金属有机框架（MOFs）及其衍生物在锂硫电池中的应用：综述

《Coordination Chemistry Reviews》：Self-supporting metal-organic frameworks (MOFs) and their derivatives for lithium-sulfur batteries: a comprehensive review

锂硫电池因高能量密度备受关注，但存在锂多硫化物 shuttle效应、电极体积膨胀及锂枝晶等问题。本文系统分析自支撑金属有机框架（SS-MOFs）及其衍生物在锂硫电池阴极、隔膜、阳极和电解质中的应用，通过调控孔隙结构、增强导电性和化学稳定性，有效抑制 shuttle效应和枝晶生长，提升电池循环寿命和能量效率。

　　近年来，随着全球能源需求的不断增长以及对环境保护意识的提升，锂硫电池（Lithium-Sulfur Batteries, LSBs）因其卓越的能量密度而受到广泛关注。这种电池系统被认为是下一代高能量存储技术的有力候选者，其理论能量密度高达2600 Wh/kg，远超传统锂离子电池。此外，硫作为正极材料，不仅成本低廉，而且具有环保优势，这使得锂硫电池在储能领域展现出巨大的应用潜力。然而，尽管锂硫电池在理论上具备诸多优势，其实际应用仍面临一些关键挑战，这些挑战限制了其商业化进程。

首先，锂硫电池中锂多硫化物（LiPSs）的穿梭效应是影响其性能的主要问题之一。在充放电过程中，LiPSs会从正极迁移至负极，并在负极表面发生反应，最终导致活性物质的损失和电池容量的衰减。这种现象不仅降低了电池的循环寿命，还可能引发电池内部短路，影响其安全性。其次，正极材料在充放电过程中会发生显著的体积膨胀，尤其是在从S?还原为Li?S的过程中，体积膨胀可达80%。这种体积变化容易破坏电极结构，导致电极材料的粉化或断裂，进而影响电池的稳定性和寿命。第三，锂金属负极在充放电过程中容易出现锂枝晶的生长，这些枝晶不仅会刺穿隔膜，造成内部短路，还可能引发热失控等安全隐患。

为了应对上述问题，研究人员不断探索新型材料和技术，以提高锂硫电池的性能和稳定性。其中，自支撑金属有机框架（Self-Supporting Metal-Organic Frameworks, SS-MOFs）及其衍生物因其独特的物理化学性质，被认为是解决这些问题的重要方向。SS-MOFs是由金属离子或簇与有机配体通过配位键自组装形成的多孔晶体材料，具有高比表面积、优异的孔隙结构和良好的导电性。这些特性使其在锂硫电池中展现出广阔的应用前景，尤其是在正极、隔膜、负极和电解液等多个关键组件中。

在正极方面，SS-MOFs可以作为硫的宿主材料，通过其多孔结构物理限制LiPSs的扩散，从而有效抑制穿梭效应。此外，SS-MOFs中的金属位点还能与LiPSs发生化学相互作用，促进其转化反应，并加快硫的氧化还原反应动力学。这种物理与化学的双重作用不仅提高了硫的利用率，还增强了电池的整体性能。在隔膜方面，SS-MOFs可以被设计为具有特定孔径和功能基团的材料，以阻止LiPSs的迁移，同时保持锂离子的自由传输，从而提升电池的循环稳定性和安全性。在负极方面，SS-MOFs可以作为锂金属的保护层，通过其多孔结构均匀分布锂离子的沉积，防止锂枝晶的形成，从而降低电池短路和热失控的风险。在电解液方面，SS-MOFs可以被用作添加剂或改性材料，通过其高比表面积和可调的孔结构，改善电解液的离子传输性能，同时提高其化学稳定性，以延长电池的使用寿命。

除了上述应用，SS-MOFs还因其结构可调性和功能多样性而受到关注。研究人员可以通过调控金属节点和有机配体的种类、比例以及合成方法，设计出具有不同孔径、孔结构和表面功能的SS-MOFs材料。这种灵活性使得SS-MOFs能够根据不同的应用场景进行优化，从而满足锂硫电池在不同条件下的性能需求。例如，通过引入特定的功能基团，可以增强SS-MOFs对LiPSs的吸附能力，进一步减少其穿梭效应。此外，SS-MOFs的自支撑特性使其在电池组件中无需额外的粘结剂，这不仅简化了电池的制造工艺，还提高了材料的导电性和结构稳定性。

然而，尽管SS-MOFs在锂硫电池中展现出诸多优势，其在实际应用中仍面临一些挑战。首先，SS-MOFs的化学稳定性问题尚未完全解决，尤其是在含有有机溶剂的电解液环境中，容易发生化学降解，影响其长期性能。因此，研究人员正在探索多种改性方法，如热处理、化学修饰和复合材料设计，以提高SS-MOFs的化学稳定性。其次，SS-MOFs的合成工艺仍需进一步优化，以提高其制备效率和材料性能的一致性。目前，SS-MOFs的制备方法主要包括水热/溶剂热法、模板辅助法和气相沉积法等，这些方法在实际应用中可能存在成本高、工艺复杂等问题。因此，开发更加高效、经济的合成技术是推动SS-MOFs在锂硫电池中应用的关键。

此外，SS-MOFs的规模化生产和成本控制也是制约其商业化的重要因素。虽然SS-MOFs在实验室条件下表现出优异的性能，但其在大规模生产中的可行性仍需进一步验证。因此，研究人员正在探索低成本、高效率的合成路径，以及如何在不牺牲性能的前提下降低材料成本。同时，SS-MOFs与其他材料的复合设计也是当前研究的一个热点。通过将SS-MOFs与其他高性能材料（如碳材料、导电聚合物和金属氧化物）结合，可以进一步优化电池的整体性能，例如提高电导率、增强结构稳定性、改善离子传输效率等。

综上所述，锂硫电池因其高能量密度和低成本的正极材料而备受关注，但其实际应用仍受到LiPSs穿梭效应、电极体积膨胀和锂枝晶生长等问题的限制。自支撑金属有机框架（SS-MOFs）及其衍生物由于其独特的物理化学性质，在解决这些问题方面展现出巨大的潜力。通过在正极、隔膜、负极和电解液等多个关键组件中应用SS-MOFs，可以有效提升锂硫电池的性能和稳定性。然而，SS-MOFs在实际应用中仍面临化学稳定性、合成工艺和成本控制等挑战，这些问题的解决将有助于推动锂硫电池技术的进一步发展和商业化进程。未来的研究应着重于优化SS-MOFs的合成方法、提高其化学稳定性，并探索其与其他材料的复合设计，以实现更高效、更安全的锂硫电池系统。