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随着能源问题的日益严峻和可再生能源的开发利用,储能变得越来越重要,电化学储能器件也随之被广泛研究和应用。为满足高效快捷的储能要求,对储能器件能量密度的关注度越来越高。商业化储能器件中,磷酸铁锂（LiFePO4,LFP）电池因为廉价、环保、放电电压平稳等优势已经被广泛应用;利用锂负极替代石墨负极和LiFePO4正极高倍率性能提高,有望进一步提高电池能量密度。改性商业化储能器件的同时,高能量密度新型储能器件的研发也非常关键。作为新型储能器件,锌空气电池因为以不占电池体积的空气为正极活性材料、以能量密度较高的金属锌为负极活性材料,成为一种能量密度较高的储能器件。但是,LiFePO4电池和锌空气电池中不理想的电子和离子传输引发了一些问题:（1）锂负极表面电子和锂离子传输不均衡引发的锂枝晶生长导致电池循环寿命降低;（2）LiFePO4正极中电子和锂离子传输速度低导致电池高倍率性能差;（3）锌空气电池正极催化剂中电子和OH*离子传输迟缓导致电池正极催化动力学低。针对这些问题,本论文研究了金属有机骨架（MOFs）材料在LiFePO4电池和锌空气电池电子/离子传输性能提高中的应用。主要研究内容和结论如下所述:1.针对锂负极表面电子和锂离子传输不均衡引发锂枝晶生长,导致电池循环寿命降低的问题。退火沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）前驱体,制得多孔碳材料（PCs）,用于抑制锂枝晶生长的研究。利用沉淀法合成具有多级有序孔结构的ZIF-8纳米晶体材料。N2气氛退火,优化制得具有多级孔结构和有序介孔特征的石墨型碳材料。作为表面改性剂涂覆于锂负极表面,一方面能够有效均衡充放电循环过程中电子和锂离子的分布,避免金属锂的取向沉积;另一方面多孔碳材料中的介孔结构和颗粒堆积空隙,能够通过较高的比表面积为锂沉积提供丰富的成核位点,控制锂离子沿着碳材料孔结构沉积,从而抑制锂枝晶的生长。涂覆多孔碳材料的锂负极与LiFePO4正极构成锂离子电池,2.5-4.2 V电压范围内,0.5 C倍率下200次循环后,容量保持率由改性前的42.3%提高到90.1%。2.针对LiFePO4正极电子和锂离子传输速度低导致电池高倍率性能差的问题。利用含有石墨碳和金属锌的ZIF-8基有序介孔碳材料对商业化LiFePO4正极材料进行物理混合（添加剂）和化学包覆（表面包覆）改性。（1）物理混合:含有异质核（金属Zn）-壳（石墨）量子点的介孔碳复合材料（MC-GZQDs）作为添加剂,其介孔结构、高电子导电性和量子隧道效应协同作用于LiFePO4正极材料,有效提高了商业化LiFePO4正极材料的电子和锂离子传输速度（锂离子传输系数提高至12倍）。2.5-4.2 V电压范围内:0.5 C倍率下,LFP@MC-GZQDs复合正极材料的放电比容量由改性前的148.5 m Ah g-1提高到154.6 m Ah g-1;10.0 C高倍率下,60个循环后容量保持率仍能达到99.9%。（2）化学包覆:利用ZIF-8晶体材料的非均匀成核与碳化,对商业化LiFePO4正极材料进行表面碳包覆(CZIF-8),加强介孔碳材料与LiFePO4之间的结合,进一步提高其电子和锂离子传输速度。优化制得LFP/CZIF-8样品的包覆层厚度约为10 nm,LiFePO4正极材料的电子和锂离子传输速度被进一步提高（锂离子传输系数提高至17倍）。2.5-4.2 V电压范围内:0.1 C倍率下,LFP/CZIF-8复合正极材料的放电比容量从改性前的122.0m Ah g-1提高到159.3 m Ah g-1;5.0 C高倍率下,200次循环后的放电能量密度由改性前的<50 m Wh g-1提高到141.7 m Wh g-1。3.针对锌空气电池正极催化剂中电子和OH*离子传输迟缓导致电池正极催化动力学低的问题。采用微孔结构高度有序的沸石咪唑酯骨架-67（ZIF-67）为模板前驱体,设计钴基化合物与碳材料复合形成的双功能电催化剂。通过ZIF-67的碳化、硫化和磷化处理制得含有硫磷化钴（Co PS）纳米颗粒的硫、磷、氮三掺杂碳（SPNC）复合电催化剂（Co PS@SPNC）。硫、磷、氮元素对碳材料的掺杂有效降低催化反应的过电势,以及Co PS纳米颗粒和催化剂的有序介孔结构为催化反应提供丰富的催化位点,加速了催化过程中电子和OH*离子的传输。使得电催化剂表现出较高的氧还原(ORR,塔菲尔斜率为18.2 m V dec-1)和氧析出(OER,塔菲尔斜率为22.2 m V dec-1)催化动力学。第一性原理（DFT）计算表明:Co PS@SPNC电催化剂具有最低的过电位;速率确定步骤具有最低的反应自由能;磷掺杂后Co PS@SPNC电催化剂与OH*之间的相互作用减弱,降低了OH*解吸过程的能量位垒;Co PS与SPNC结合后具有更正的电荷,使得催化活性提高。因此,含有Co PS@SPNC电催化剂的锌空气电池,显示出了0.20 V的过电位和1.36 V的放电电压。此外,采用Co PS@SPNC电催化剂组装的柔性锌空气电池也表现出优异的电化学性能:2 m A cm-2电流密度下,循环寿命超过80 h,能量效率始终保持在80%以上,并且不同角度弯折下也能保持稳定的电化学性能。