近日，針對鋰硫電池中多硫化物穿梭效應(yīng)所引發(fā)的電池循環(huán)穩(wěn)定性差、容量衰減等關(guān)鍵問題，陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)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(luò)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(xué)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(luò)（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(dǎo)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(guān)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(dǎo)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(guān)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(guān)系；(h) TTP@PVDF50與TTP-PVDF50電池的原位電化學(xué)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(yīng)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(xué)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(xué)黃文歡教授, 西安工業(yè)大學(xué)金洗郎教授,西北大學(xué)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）