近日🧝🏽，沐鸣开户和聚合物分子工程國家重點實驗室盧紅斌課題組在設計開發高性能鋰硫電池研究上取得進展。相關研究成果以“Enhanced Polysulfide Regulation via Porous Catalytic V₂O₃/V₈C₇ Heterostructures Derived from Metal−Organic Frameworks toward High-Performance Li−S Batteries”為題在線發表於ACS Nano 上（DOI: 10.1021/acsnano.0c02762）💑。

鋰硫電池由於高達2600Wh/kg的理論容量密度，硫的成本低👨‍👨‍👧、儲量大被認為是下一代最有前景的能量存儲系統之一🦚。然而，由於硫正極材料的多步和多相反應行為會導致多硫化鋰復雜的“穿梭效應”以及反應動力學的緩慢，致使電池中硫的利用率低👨🏽‍🌾，容量衰減快🏩，倍率性能差，這在很大程度上阻礙了鋰硫電池的商業化進程。

基於物理或化學限製的各種策略已經實施以解決臭名昭著的“穿梭效應”✌🏻。通常，物理屏障主要是通過使用多孔碳材料來裝載硫來實現的👩🏿‍⚖️，但是大多數非極性材料不能在長周期內有效地抑製極性放電中間體多硫化鋰的“穿梭效應”🪩💇🏽。化學吸附可以通過在多硫化鋰和極性材料之間形成化學鍵來有效地減輕“穿梭效應”。然而大多數極性材料的導電性差🫱，導致吸附的硫組分難以轉移，形成“死硫”，很難再利用。

盧紅斌課題組報道了一種由MOF衍生的具有異質結構的多孔催化V₂O₃ / V₈C₇ @C復合材料（圖1）可以有效且同步地解決上述問題，即抑製穿梭效應🥖，改善多硫化鋰的轉化動力學並增加硫的質量負載/利用率。他們構建了一種多功能正極材料，其中硫負載在MOF衍生的V₂O₃ / V₈C₇ @C上⛈；石墨烯用作導電襯底，碳化框架保留了MOF高孔隙率和高比表面積（328.6 m² g^-1）的特性🐛，因此可以實現高硫負荷。石墨烯不僅在提高電導率方面起作用🧚‍♀️，而且還充當阻止硫損失的物理屏障🎢。更重要的是🤾🏻‍♀️，均勻分布在碳質骨架上的V₂O₃ / V₈C₇異質結構可以增強多硫化鋰從捕獲到轉移和轉化的調控，避免了多硫化鋰在電解質中的積累，並提高了硫的利用率。基於以上特性，正極表現出極高的速率能力（587.6 mA h g^-1 at 5 C）和長的循環壽命（1000個循環後🦵🏽，每個循環的衰減率為0.017％）。即使在高硫負載下（8.1 mg cm^-2），正極也具有出色的電化學性能。更關鍵的是，V₂O₃ / V₈C₇異質結構可以更進一步應用於軟包電池。即使經過150次循環，該電池仍可以保持4.3 mA h cm^-2（716.8 mA h g^-2）的出色面積容量☣️，這仍然高於商用鋰離子電池（4.0 mA h cm^-2）和大多數Li-S電池報道的結果。這種解決高硫負載下穿梭效應的策略為高性能鋰硫電池的進一步發展提供了一種有效的新思路⛱。

論文鏈接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02762

圖1🧗‍♀️：(a) V₂O₃/V₈C₇異質結的高倍透射電鏡圖；(b) V₂O₃/V₈C₇異質結構抑製穿梭效應機製的示意圖； (c)- (e) Li₂S在不同反應表面上的沉積🤸🏼‍♀️；(f) 折疊180^o時的軟包電池🏋🏼‍♀️；(g)軟包電池在0.2 C下的循環性能