近日，复旦大学高分子科学系和聚合物分子工程国家重点实验室卢红斌课题组在设计开发高性能锂硫电池研究上取得进展。相关研究成果以“Enhanced Polysulfide Regulation via Porous Catalytic V₂O₃/V₈C₇ Heterostructures Derived from Metal−Organic Frameworks toward High-Performance Li−S Batteries”为题在线发表于ACS Nano 上（DOI: 10.1021/acsnano.0c02762）。

锂硫电池由于高达2600Wh/kg的理论容量密度，硫的成本低、储量大被认为是下一代最有前景的能量存储系统之一。然而，由于硫正极材料的多步和多相反应行为会导致多硫化锂复杂的“穿梭效应”以及反应动力学的缓慢，致使电池中硫的利用率低，容量衰减快，倍率性能差，这在很大程度上阻碍了锂硫电池的商业化进程。

基于物理或化学限制的各种策略已经实施以解决臭名昭著的“穿梭效应”。通常，物理屏障主要是通过使用多孔碳材料来装载硫来实现的，但是大多数非极性材料不能在长周期内有效地抑制极性放电中间体多硫化锂的“穿梭效应”。化学吸附可以通过在多硫化锂和极性材料之间形成化学键来有效地减轻“穿梭效应”。然而大多数极性材料的导电性差，导致吸附的硫组分难以转移，形成“死硫”，很难再利用。

卢红斌课题组报道了一种由MOF衍生的具有异质结构的多孔催化V₂O₃ / V₈C₇ @C复合材料（图1）可以有效且同步地解决上述问题，即抑制穿梭效应，改善多硫化锂的转化动力学并增加硫的质量负载/利用率。他们构建了一种多功能正极材料，其中硫负载在MOF衍生的V₂O₃ / V₈C₇ @C上；石墨烯用作导电衬底，碳化框架保留了MOF高孔隙率和高比表面积（328.6 m² g^-1）的特性，因此可以实现高硫负荷。石墨烯不仅在提高电导率方面起作用，而且还充当阻止硫损失的物理屏障。更重要的是，均匀分布在碳质骨架上的V₂O₃ / V₈C₇异质结构可以增强多硫化锂从捕获到转移和转化的调控，避免了多硫化锂在电解质中的积累，并提高了硫的利用率。基于以上特性，正极表现出极高的速率能力（587.6 mA h g^-1 at 5 C）和长的循环寿命（1000个循环后，每个循环的衰减率为0.017％）。即使在高硫负载下（8.1 mg cm^-2），正极也具有出色的电化学性能。更关键的是，V₂O₃ / V₈C₇异质结构可以更进一步应用于软包电池。即使经过150次循环，该电池仍可以保持4.3 mA h cm^-2（716.8 mA h g^-2）的出色面积容量，这仍然高于商用锂离子电池（4.0 mA h cm^-2）和大多数Li-S电池报道的结果。这种解决高硫负载下穿梭效应的策略为高性能锂硫电池的进一步发展提供了一种有效的新思路。

论文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02762

图1：(a) V₂O₃/V₈C₇异质结的高倍透射电镜图；(b) V₂O₃/V₈C₇异质结构抑制穿梭效应机制的示意图； (c)- (e) Li₂S在不同反应表面上的沉积；(f) 折叠180^o时的软包电池；(g)软包电池在0.2 C下的循环性能