从 2010 到 2025 全梳理：静电纺 MOF 纤维电解质固态电池发展脉络

受化石能源短缺与环保需求驱动，储能技术亟需迭代，传统石墨基锂电池能量密度已达上限；金属锂负极理论容量极高，但液态电解液易燃、易生成锂枝晶，存在严重安全隐患。固态锂金属电池凭借高安全性、高能量密度、宽工作温度区间的优势成为优选方案。

其中 MOF 材料自带可调孔道、大量路易斯活性位点，能固定阴离子、提升锂离子迁移数，但纯 MOF 脆到没法做成自支撑薄膜；传统聚合物 PEO、PAN 柔性好，但离子传导弱、高温才能用。大家很早想到把 MOF + 聚合物复合，不过传统物理共混易引发填料团聚、界面相容性差、离子传输受阻等问题。而静电纺丝技术能够实现 MOFs 与聚合物的纳米尺度均匀复合，同时兼顾刚性多孔骨架与柔性基底。

该方向 2010 年起步，近年新体系层出不穷却缺乏系统总结，因此西南交大杨维清团队联合多单位于 2026 年在《Advanced Fiber Materials》发表综述，梳理了2010–2025 年近百篇相关文献，系统梳理领域进展、统一划分复合路线、阐明离子输运协同机理并指明产业化优化方案，以此补齐领域综述空白、完善固态电解质基础理论，为高性能储能电池的研发与规模化落地提供全面参考。

一、行业底层痛点：为什么一定要做电纺 MOF 复合固态电解质？

传统液态锂电池两大致命短板

1.安全风险：电解液全是易燃有机溶剂，充放电升温极易热失控、起火爆炸，新能源车、大型储能根本不敢大规模用；

2.能量密度天花板：石墨负极理论容量锁死 372 mAh g⁻¹，锂金属负极 3860 mAh g⁻¹ 潜力巨大，但液态体系里锂枝晶疯狂生长，电池几圈就短路报废。

固态锂金属电池（SSLMB）完美解决以上两点：无易燃溶剂、抑制枝晶、适配高压正极，是下一代储能核心。

单一固态电解质各有硬伤

1.纯聚合物电解质：柔性可成膜，但室温离子导电极差，只能 60℃以上工作，锂迁移数低；

2.纯 MOF 电解质：孔道有序、锚阴离子能力拉满，但本身结晶脆性大，无法做成独立薄膜，和电极界面接触极差；

3.简单物理共混复合：MOF 颗粒抱团，两相界面相容性差，内部大量缺陷，离子传输通道断裂，性能提升微乎其微。

静电纺丝成为最优解的 3 个核心原因

1.连续性好：仿生三维纳米纤维网络：超高孔隙、大比表面积，电解液浸润充分，给锂离子搭建连续传输通道; 

2.完美抑制 MOF 团聚：纳米尺度限域效应，大幅改善 MOF - 聚合物界面结合；

3.工艺可调性拉满：通过电压、推进速度、接收辊转速、前驱液配比，自由调控纤维粗细、孔隙、取向、MOF 负载量，兼顾力学强度与电化学性能。

2010 年首次实现 MOF 与静电纺纤维结合，十多年衍生两条主流制备路线，也是这篇综述重点拆解的核心内容。

图 1.静电纺丝结合 MOFs 用于高性能锂电池发展时间线

二、基础打底：静电纺丝全套原理 + 可直接照搬的实验参数

很多同学做实验只会盲目调电压流速，完全不懂参数怎么影响纤维形貌，这一章直接把工艺逻辑讲透，新手也能快速优化实验。

静电纺丝成型底层原理

高压电源让注射器内聚合物溶液带电，电场力超过液体表面张力，形成泰勒锥；射流喷射后溶剂快速挥发，同时发生弯曲拉伸，不断细化成纳米纤维，沉积在接收辊形成无纺布薄膜。 纤维连续性、直径、孔隙率、MOF 分散度，完全由三大类参数决定：前驱液性质、设备工艺、后处理方式。

第一类：前驱液关键参数（决定能不能纺出连续纤维）

黏度：最优区间 0.5–2 Pa・s 低于 0.5 Pa・s：溶液太稀，射流断裂，全是串珠纤维，MOF 大面积团聚； 高于 2 Pa・s：粘度过大，拉不出稳定射流，纤维粗细差距巨大。

电导率：MOF 本身导电，掺杂量太高会让射流电荷过载，纤维粗细不均，常规 MOF 添加量控制在 5%–20%；

溶剂：DMF、丙酮、水等直接决定挥发速度，溶剂挥发太慢纤维粘连，太快出现孔洞缺陷。

第二类：设备运行参数（实验室通用区间，直接抄进实验方案）

电压：10–25 kV，太低拉伸不足纤维粗，过高射流失稳出现大量缺陷；

推进流速：0.1–2.0 mL/h，流速快纤维变粗、MOF 团聚加重；

接收距离：10–20 cm，距离太短溶剂没挥发完全，纤维粘成块；

接收辊转速：800 rpm 无序多孔纤维（固态电解质首选）；4500 rpm 高度取向纤维，实现定向离子传导，抑制枝晶。

图2.不同接收辊转速下 PAN 纳米纤维制备与形貌

第三类：后处理改性

热退火、原位聚合、表面接枝官能团都能强化膜力学强度，但高温热压会封堵纤维孔隙，牺牲离子电导率，需要平衡力学与电化学性能。

三、全文核心：两种 MOF / 电纺复合路线优劣全对比

综述把十几年所有文献归为两大技术路线，机理、结构、优缺点分得清清楚楚，做课题可以直接选一条深耕。

图 3. MOFs 与聚合物纤维两种复合策略及离子输运对比

路线一：MOF 直接分散在纺丝液，一步内嵌进纤维（共混纺丝）

操作逻辑：提前合成 MOF 粉体，均匀分散到聚合物纺丝前驱液，一步静电纺，MOF 被包裹在纳米纤维内部。

优点

工艺简单、一步成型、设备门槛低，实验室最常用； 通过调控 MOF 添加量简单实现负载可控。

缺点

1.MOF 高掺杂下极易在纤维内部团聚，堵塞离子通道；

2.MOF 包裹在纤维内部，孔道没法充分利用，阴离子锚定能力打折扣；

3.两相仅物理结合，循环过程容易界面剥离。

主流聚合物体系案例梳理

1.PAN 基复合纤维 电化学窗口宽、热稳定好、机械强度高，代表仿生海星分层结构电解质，室温离子电导 4.37×10⁻⁴ S cm⁻¹，锂锂对称电池稳定循环 1300h； 短板：极性偏弱，和部分 MOF 界面相容性一般，需要改性。

2.PVDF-HFP 基复合纤维 介电常数高，促进锂盐解离，分解能生成 LiF 稳定界面，适配高压三元正极； 大量双层、梯度不对称隔膜 / 电解质都是这个体系，高电压循环稳定性远超 PEO。

3.其他小众基体（PMIA、PVA、PI、海藻多糖） 耐高温、阻燃、天然绿色基底，适合高安全、高温工况固态电池，缺点纺丝窗口窄，工艺难调控。

路线二：先纺聚合物纤维，再原位生长 MOF（核壳结构）

操作逻辑：先纯电纺制备三维聚合物纤维骨架，浸泡金属盐 + 配体溶液，MOF 直接在纤维表面原位成核生长，形成纤维为芯、MOF 为壳的核壳结构。

优点

1.MOF 完全暴露在外，孔道、活性位点全部利用，固定阴离子能力拉满，锂迁移数普遍 0.6 以上；

2.MOF 与纤维形成化学键结合，界面附着力极强，循环不分层；

3.连续表面 MOF 层搭建贯通的离子高速通道，离子传导效率远高于内嵌路线。

缺点

两步法制备，流程复杂，量产难度更高；MOF 生长厚度难精准控制。

代表成果

PAN 纤维原位生长 HKUST-1、MOF808，锂对称电池 4 mA cm⁻² 超高电流密度稳定 4000h，抑制枝晶效果断层领先。

两条路线直观总结（选题参考）

想快速出数据、做基础探究：选共混内嵌纺丝；

主攻高离子电导率、长循环、界面工程创新：选原位生长核壳路线。

四、拓展方向：不止锂电，钠固态电池同样适配

很多人局限只做锂体系，这篇综述特意加了一章拓展 MOF 电纺纤维在钠金属固态电池的应用。 钠资源成本极低，是大规模储能未来路线，并且钠枝晶、钠盐解离难问题和锂体系高度相似，可以类比。电纺 PAN@Cu-MOF 复合电解质，依靠竞争配位机制调控界面，钠电池 2000 圈容量保持 90%，给做钠电的同学提供全新思路。

图4. Cu-MOF@PAN 用于钠金属固态电池（PPNM 电解质）

五、领域现存瓶颈

综述客观罗列行业现阶段无法回避的问题，也是大家可以挖掘的创新缺口：

1.溶剂环保性差：

现在纺丝全是 DMF、丙酮有毒有机溶剂，残留溶剂破坏电池界面、污染环境，绿色低毒溶剂体系几乎空白；

2.MOF - 聚合物界面相容性差：

大部分体系仅物理结合，长循环两相分离，界面阻抗持续飙升；

3.多组分匹配无统一设计准则：

MOF 配体、聚合物分子结构、锂盐三者匹配机制缺少系统研究，试错成本极高；

4.量产化难题：

原位生长、同轴纺工艺复杂，批次差异大，难以满足 GMP 规模化生产；

5.表征手段不足：

缺少原位观测离子在纤维 - MOF 界面传输的技术，机理研究停留在宏观性能。

图5.  MOFs / 静电纺纳米电解质的挑战与发展机遇总结图

六、四大前沿赛道，开题 / 写基金直接用（高分创新点来源）

这是整篇综述最有价值的部分，每条赛道都明确「现有缺陷 + 解决方案 + 预期突破性能」，不用自己凭空想创新。

赛道 1：绿色低毒纺丝溶剂体系

现状：传统有机溶剂易燃有毒，残留溶剂破坏 SEI 膜；

方案：深共熔溶剂、离子液体替代 DMF / 丙酮，通过计算化学筛选适配溶剂；

目标：实现无残留、高安全纺丝，同时调控锂溶剂化结构，稳定电极界面。

赛道 2：多尺度界面分子工程

现状：两相界面作用力弱，循环剥离；

方案：MOF 表面接枝 - NH₂、-SO₃H、氟基团，聚合物分子支链改性，共价 / 配位键连接两相；

效果：消除相分离，大幅提升离子迁移数与循环寿命。

赛道 3：多维层级结构精准构筑

现状：普通无序纤维离子传输迂曲度高，电导上不去；

方案：电场定向纺丝、微流控、多层梯度复合，构建分级孔道；

优势：同时实现高孔隙、连续 MOF 离子通道、高力学模量，同步解决导电与枝晶抑制两大问题。

赛道 4：原位表征 + 多尺度模拟耦合

现状：离子传输、界面演变机理只能靠事后表征推测；

方向：原位 XRD、原位 TEM 结合分子动力学模拟，定量解析微观结构 - 电化学性能构效关系，实现材料理性设计。

优势：原位生长界面结合牢固、离子传输与循环稳定性更佳。

七、总结

1.写作逻辑可直接复刻

这篇顶刊综述没有单纯堆砌文献，全程问题 - 机理 - 工艺 - 材料 - 性能 - 挑战 - 展望闭环，区别于流水账式文献罗列，不管是中文核心还是 SCI 综述，这套框架都能拉高审稿人好感；

2.实验指导价值拉满

全文汇总海量纺丝参数表格、SEM、电化学对比图，做静电纺固态电解质可以直接对照优化实验条件，少走半年弯路；

3.创新点清晰可落地

四个未来赛道没有空泛空话，每一条都对应当下行业短板，硕博开题、青年基金、小论文创新点都能直接延伸深挖；

4.同领域多体系横向思路拓展参考

不局限锂电池，同步延伸钠金属电池，拓宽研究边界，写文章、做汇报时加入跨体系对比，层次感直接拉开。

Doi:10.1007/s42765-026-00692-4