近日，針對鋰硫電池中多硫化物穿梭效應所引發(fā)的電池循環(huán)穩(wěn)定性差、容量衰減等關鍵問題，陜西科技大學化學與化工學院黃文歡教授課題組與合作者，通過原位自組裝策略，將PVDF聚合物鏈段引入共價有機框架材料（COF）。借助COF內(nèi)部原位形成的富氫鍵（F···H）網(wǎng)絡和有序的二維層狀孔道，實現(xiàn)了鋰離子的快速傳輸以及對多硫化物的有效抑制（基于空間位阻和極性活性位點吸附的雙重作用機制）。基于該改性隔膜組裝的電池展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能和顯著提升的電池容量。該成果以“Facilitating efficient catalytic conversion of polysulfides in lithium-sulfur batteries via self-assembled hydrogen-bond-rich covalent organic frameworks”為題發(fā)表在Science Bulletin 2025年第13期，遴選為INSIDE FRONT COVER 。
圖1.論文信息
文章亮點
1. 通過原位自組裝策略構(gòu)建COF@PVDF材料，借助其內(nèi)部豐富的氫鍵網(wǎng)絡（F???OH）和有序的二維傳輸孔道，實現(xiàn)了鋰離子的快速傳輸以及多硫化物的有效催化轉(zhuǎn)化與抑制。
2. 通過調(diào)控聚合物含量，研究發(fā)現(xiàn)TTP@PVDF50材料展現(xiàn)出卓越的綜合性能。基于該材料制備的改性隔膜在鋰硫電池中表現(xiàn)出2.10 mS cm-1的高離子電導率和0.85的鋰離子遷移數(shù)。
3. 在S@CNT||Li電池中，于0.2 C電流密度下實現(xiàn)了1420.2 mAh g-1的高比容量。此外，在高硫載量（4.59 mg cm-2）和貧電解液條件下，經(jīng)過長期循環(huán)后仍保持不低于86%的容量保持率。
圖2. (a) TTP COF與PVDF氫鍵交聯(lián)示意圖。(b) TTP@PVDF50的RDG和Sign(??2)??函數(shù)關系圖。(c) 共價有機框架差分電荷密度。(d) TTP@PVDF50、TTP-PVDF50、PVDF和TTP的傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)。(e) TTP@PVDF50的固態(tài)核磁共振氫譜(1H NMR). (f) TTP@PVDF50與TTP-PVDF50的粘度隨剪切速率變化曲線.
圖3. (a,b) SS|TTP@PVDF (75-25)/TTP-PVDF50/PP|SS的鋰離子電導率及Li+遷移數(shù)；(c) S@CNT||Li 電池CV；(d) TTP@PVDF50與TTP-PVDF50電池的CV峰值電流與掃描速率平方根的關系；(e) TTP@PVDF50電池的GITT曲線；(f) TTP@PVDF50與TTP-PVDF50電池的內(nèi)阻對比；(g) Li+和COF的均方位移隨模擬時間的變化關系；(h) TTP@PVDF50與TTP-PVDF50電池的原位電化學阻抗.
圖4. (a) Li|TTP@PVDF50|Li and Li|TTP-PVDF50|Li電池的CV圖；(b,c) Li2S形核與沉積曲線； (d，e,f) 多硫化物沉積后TTP@PVDF50與TTP-PVDF50的S 2p和Li 1s元素XPS譜圖；(g) TTP@PVDF50和TTP-PVDF50與多硫化物(LiPSs)的結(jié)合能強度對比及靜電勢分布圖(插圖)；(h) 穿梭電流測試。
圖4. (a-c) S@CNT|TTP-PVDF50|Li和S@CNT|TTP-PVDF@50|Li電池在0.1 C放電過程中的原位拉曼光譜； (g) TTP@PVDF50與TTP-PVDF50與多硫化物(Li2Sn，1≤n≤8)相互作用的吉布斯自由能變化曲線及相應優(yōu)化構(gòu)型圖。
圖5. S@CNT|TTP@PVDF(25-75)|Li的 (a) 倍率性能 (b) 2 C電流密度下的長循環(huán)性能及 (c) 倍率充放電曲線；(d) TTP@PVDF50與TTP-PVDF50電池在0.2 C電流密度下的高放電平臺容量(Q2)與低放電平臺容量(Q1)分析；(e) 高負載S@CNT|TTP@PVDF50|Li電池循環(huán)性能；(f) S@CNT|TTP@PVDF50/ TTP-PVDF50|Li的自放電性能；(g) 組裝的Li||Li對稱電池性能（插圖為選定循環(huán)區(qū)間的局部放大圖）。
文章信息： Shi Y, Wang S, Cui P, et al. Facilitating efficient catalytic conversion of polysulfides in lithium-sulfur batteries via self-assembled hydrogen-bond-rich covalent organic frameworks. Science Bulletin, 2025, 70(13). https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.05.005
作者信息：陜西科技大學碩士生石洋和博士生王順為論文的共同第一作者，陜西科技大學黃文歡教授, 西安工業(yè)大學金洗郎教授,西北大學王堯宇教授為本論文的共同通訊作者。
（核稿：黃文歡 編輯：趙誠）
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