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，被視為下一代的儲能設(shè)備之一。但是，鋰硫電池的商業(yè)化和實用化仍存在一些挑戰(zhàn)。

鋰硫電池存在以下缺點：

（1）硫單質(zhì)以及其放電的產(chǎn)物Li2S、Li2S2的導電率很差，會嚴重影響電化學反應的動力學，因此降低了活性物質(zhì)的利用率，也會嚴重限制其在高倍率條件下的電化學性能；

（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，當電解液中多硫化物的濃度高到一定程度時，由于濃度梯度的驅(qū)使，這些多硫化物會“逃離”正極的束縛，擴散到隔膜上，并穿過隔膜到達負極，在負極上繼續(xù)發(fā)生電化學反應。這些多硫化物在負極上進行的氧化還原反應，不僅沒有容量貢獻，并導致有效活性物質(zhì)的減少，而且對鋰負極有腐蝕作用，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性能的主要途徑。最常見的方式是將硫與碳材料進行復合，利用碳材料優(yōu)異的導電性以及其形貌的多樣性和可控性來提高硫的導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。采用物理和化學雙重限域作用，同時提高多硫化物的轉(zhuǎn)化速率是進一步改善性能的有效策略。

對碳材料進行雜原子摻雜不僅能保留碳材料的高導電率，而且這些雜原子能增強碳基底對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，不僅對多硫化物這些極性分子的吸引力更強，其相互作用可以達到1~5 eV。而且有效提高多硫化鋰的反應動力學，從而顯著提高鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。

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

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

這種復合材料作為鋰硫電池電極材料具有以下幾點優(yōu)勢：

（1）相對普通的碳材料，氮摻雜的多孔碳材料具有對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；

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

（3）納米尺寸的Co4N均勻地分布在碳骨架中。

通過理論計算得到，Co4N與多硫化物之間存在強的相互作用（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?；诖?，氮摻雜碳骨架與Co4N的復合有效地提高了其作為鋰硫電池正極材料載體的電化學性能。

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通過與對照組實驗對比，包括單質(zhì)鈷／氮摻雜碳復合材料（MOF-Co）和去除鈷后的材料（MOF-C），證明了Co4N對提高鋰硫電池動力學性能的重要性。

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

該過渡金屬氮化物與碳材料的復合材料設(shè)計，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