鋰硫電池因其高的理論容量、低成本、環(huán)境友好以及資源豐富而引起了很大的重視，被視為下一代的儲(chǔ)能設(shè)備之一。但是，鋰硫電池的商業(yè)化和實(shí)用化仍存在一些挑戰(zhàn)。

鋰硫電池存在以下缺點(diǎn)：

（1）硫單質(zhì)以及其放電的產(chǎn)物L(fēng)i2S、Li2S2的導(dǎo)電率很差，會(huì)嚴(yán)重影響電化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)，因此降低了活性物質(zhì)的利用率，也會(huì)嚴(yán)重限制其在高倍率條件下的電化學(xué)性能；

（2）在充放電期間，中間產(chǎn)物為不同鏈長的多硫化物，其中一部分中間產(chǎn)物（Li2S、，4≤x≤8）可溶于電解液，當(dāng)電解液中多硫化物的濃度高到一定程度時(shí)，由于濃度梯度的驅(qū)使，這些多硫化物會(huì)“逃離”正極的束縛，擴(kuò)散到隔膜上，并穿過隔膜到達(dá)負(fù)極，在負(fù)極上繼續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。這些多硫化物在負(fù)極上進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，不僅沒有容量貢獻(xiàn)，并導(dǎo)致有效活性物質(zhì)的減少，而且對(duì)鋰負(fù)極有腐蝕作用，造成鋰硫電池容量的快速衰減。

電極材料結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和優(yōu)化是提高鋰硫電池電化學(xué)性能的主要途徑。最常見的方式是將硫與碳材料進(jìn)行復(fù)合，利用碳材料優(yōu)異的導(dǎo)電性以及其形貌的多樣性和可控性來提高硫的導(dǎo)電性并抑制多硫化物的體積膨脹和溶出。

但具有孔結(jié)構(gòu)的碳材料主要是通過物理阻礙作用抑制多硫化物的溶出，效果有限。采用物理和化學(xué)雙重限域作用，同時(shí)提高多硫化物的轉(zhuǎn)化速率是進(jìn)一步改善性能的有效策略。

對(duì)碳材料進(jìn)行雜原子摻雜不僅能保留碳材料的高導(dǎo)電率，而且這些雜原子能增強(qiáng)碳基底對(duì)于多硫化物的吸附作用（從～0.5 eV提升到～1 eV），從而在一定程度上減少多硫化物的溶出。另外，金屬化合物由于其具有更大的極性，不僅對(duì)多硫化物這些極性分子的吸引力更強(qiáng)，其相互作用可以達(dá)到1~5 eV。而且有效提高多硫化鋰的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，從而顯著提高鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。

湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院陳小華教授與劉繼磊教授聯(lián)合南洋理工大學(xué)申澤驤教授，通過溶劑法得到了以有機(jī)金屬框架(MOF)為前驅(qū)體的鈷氮化合物／氮摻雜碳復(fù)合材料（MOF-Co4N）。

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在有機(jī)金屬框架的結(jié)構(gòu)中，金屬原子與有機(jī)鏈之間均勻分布，因此有利于得到金屬化合物均勻分散在碳基底中的復(fù)合材料。

這種復(fù)合材料作為鋰硫電池電極材料具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

（1）相對(duì)普通的碳材料，氮摻雜的多孔碳材料具有對(duì)電解液更好的浸潤性，且與多硫化物之間的相互作用力更強(qiáng)；

（2）納米片碳骨架為多硫化物的氧化還原反應(yīng)提供了大量的反應(yīng)位點(diǎn)，有利于提高反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)；

（3）納米尺寸的Co4N均勻地分布在碳骨架中。

通過理論計(jì)算得到，Co4N與多硫化物之間存在強(qiáng)的相互作用（2.6 eV），可以很好地吸附多硫化物，從而提高多硫化物的利用率，得到更高的充放電容量和循環(huán)穩(wěn)定性。基于此，氮摻雜碳骨架與Co4N的復(fù)合有效地提高了其作為鋰硫電池正極材料載體的電化學(xué)性能。

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通過與對(duì)照組實(shí)驗(yàn)對(duì)比，包括單質(zhì)鈷／氮摻雜碳復(fù)合材料（MOF-Co）和去除鈷后的材料（MOF-C），證明了Co4N對(duì)提高鋰硫電池動(dòng)力學(xué)性能的重要性。

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通過原位ESI的測試，研究了電池充放電的擴(kuò)散系數(shù)，證明在整個(gè)充放電的過程中，MOF-Co4N基鋰硫電池表現(xiàn)出更快的動(dòng)力學(xué)。

該過渡金屬氮化物與碳材料的復(fù)合材料設(shè)計(jì)，在鋰硫電池中表現(xiàn)出了其優(yōu)勢。

相關(guān)論文發(fā)表在《Small》（IF=10.856）上。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201901454