開發(fā)新型正極材料，從源頭上避免Li-S 電池的穿梭效應(yīng)，對于實際應(yīng)用至關(guān)重要，但這仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

在此，同濟大學(xué)楊金虎，張馳等人通過簡單地共熔化 P、S 和 Se 粉末，探索出了一種新型含硫三元共價無機框架 (CIF)–P₄Se₆S₄₀。具有開放式框架的 P₄Se₆S₄₀ CIF 能夠在電化學(xué)反應(yīng)中提供所有活性位點，從而提供高容量。Se 原子的引入可以提高 S 鏈的固有電子導(dǎo)電性且不會降低容量。更重要的是，S-Se 鏈中的 Se 原子可以作為雜原子的 “屏障”，阻斷周圍 S 原子的鍵合，從而有效避免在循環(huán)過程中形成長鏈多硫化物。

此外，鋰化后形成的穩(wěn)定四面體構(gòu)型 Li₃PS₄ 不僅是促進鋰離子擴散的良好離子導(dǎo)體，還進一步抑制了穿梭效應(yīng)。因此，P4Se₆S₄₀ 正極即使在 10.5 mg cm^-2 的高負載條件下也能提供高容量和出色的容量保持率。

圖1. DFT計算

總之，該工作通過簡單的方法合成了一類新型三元無機共價框架材料（P₄Se₆S₄₀）。P₄Se₆S₄₀ CIF 具有獨特的開放式四面體三維框架，可用于鋰離子的嵌入，而且短鏈S單元可從根本上避免產(chǎn)生LiPS和穿梭效應(yīng)，因此有望成為高性能Li-S 電池的正極。

此外，鋰化后會形成具有四面體構(gòu)型的穩(wěn)定 Li₃PS₄ 產(chǎn)物，它不僅是良好的離子導(dǎo)體，還能作為空間屏障進而抑制多硫化物的溶解和擴散，進一步抑制穿梭效應(yīng)。因此，該項工作為下一代Li-S 電池提供了一類新型的三元 CIF 材料，作為無穿梭效應(yīng)的正極，它具有長循環(huán)壽命和高能量，可應(yīng)用于實際能源領(lǐng)域。

圖2. 電池性能

A Ternary (P, Se, S) Covalent Inorganic Framework as A Shuttle Effect-Free Cathode for Li-S Batteries，Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202308587