隨著電動車、可再生能源儲存及便攜電子產品的需求持續增長，研究人員正尋找能儲存更多能量、成本更低、使用壽命更長的電池技術，以超越現今的鋰離子電池。在所有具潛力的候選技術中，鋰-硫（Li-S）電池因其顯著較高的理論能量密度而備受關注，並且其主要成分硫是一種豐富且價格低廉的材料。然而，儘管 Li-S 電池具有這些優勢，卻因為一種稱為「多硫化物穿梭效應」的持續問題而難以突破實驗室階段。
現在，來自東北大學及其合作機構的研究團隊開發了一種新型的分子工程材料，這可能有助於克服這一長期挑戰，使實用鋰-硫電池更接近商業化。
鋰-硫電池的挑戰與潛力
鋰-硫電池通過一系列化學反應產生電力，這些反應過程中，硫在放電過程中轉化為可溶的鋰多硫化物，並在充電過程中轉化回來。這一多步驟反應使得 Li-S 電池能儲存的能量遠超過傳統鋰離子電池。然而，運行過程中形成的可溶鋰多硫化物可以從硫陰極遷移至鋰陽極。這種不受控制的移動被稱為多硫化物穿梭效應，會導致活性材料損失、副反應、自放電和快速容量衰退。因此，電池的使用壽命和效率顯著降低。
多年來，研究人員嘗試利用物理屏障阻止這種遷移，但這些方法往往會影響電池的性能。
然而，導致 Li-S 電池巨大能量儲存潛力的化學特性也同時造成其最大弱點。在循環過程中形成的中間鋰多硫化物行為類似於流浪的旅行者：一旦溶解在電解質中，它們就能逃離硫陰極，穿過隔膜，並到達鋰金屬陽極。這種不受控制的遷移會引發一系列有害的過程，包括寄生副反應、活性硫的耗竭、不穩定的界面層增長、自放電以及隨著重複使用而穩定下降的電池容量。根據新聞稿，預防措施並不在於建立物理屏障，而是必須使隔膜界面更像一個智能檢查點。
它應能選擇性識別多硫化物物種，通過強化學相互作用捕獲它們，快速轉移電子以維持電化學活性，並主動引導硫中間體完成隨後的還原和氧化步驟。
新型材料的開發與應用
在這方面，將這些多種功能整合到單一材料平台上一直是推進實用 Li-S 電池的核心挑戰之一。為瞭解決這一問題，研究團隊創造了一種新的四硫富瓦烯-冠醚 COF，命名為 TUS-44，並將其與導電石墨烯結合，形成 Li-S 電池的 TUS-44@G 功能層。該框架包含了亞胺氮、冠醚氧和富硫四硫富瓦烯位點，這些組合為鋰多硫化物提供了一個分層的相互作用位點，同時石墨烯組件提供了有效的電子傳輸通道。
在電池測試中，裝備 TUS-44@G 層的電池在 0.2 A g⁻¹ 的條件下提供了高達 1455.7 mA h g⁻¹ 的可逆容量，在 10 A g⁻¹ 的速率下保留了優異的速率能力，達到 773 mA h g⁻¹，並在 5 A g⁻¹ 的條件下，經過 1000 次循環僅顯示出 0.034% 的容量衰退。
一個包含相同中間層的 Li-S 袋式電池在 0.05 A g⁻¹ 下實現了約 674 Wh kg⁻¹ 的初始能量密度，顯示出這一分子工程界面的潛力，能夠用於實用的高能量電池。東北大學多學科先進材料研究所的助理教授 Saikat Das 表示：「我們的目標是設計一種不僅僅是阻止多硫化物的中間層，而是能夠主動管理其反應路徑的界面。通過將冠醚和四硫富瓦烯的化學整合到有序的 COF 中，並與石墨烯結合，我們創建了一個協作界面，能夠更有效地固定、重新分配和轉化硫物種。」
COF 提供了一個引人注目的解決方案，因為它們可以以分子層級的精確度構建。與傳統多孔碳材料僅與多硫化物進行微弱相互作用不同，COF 具有定期排列的孔，這些孔的尺寸、化學環境和電子特性都可以通過設計進行編程。從本質上講，COF 提供了一個分子工程平台，能同時捕獲、導電和催化，為將長期存在的多硫化物穿梭問題轉化為硫電化學的一個可控方面提供了一種強有力的策略。東北大學的教授 Negishi 表示：「這項研究顯示了網狀化學可以用來在分子層級編程電池界面。
TUS-44@G 設計提供了一條通往輕量級、耐用且高倍率的 Li-S 電池的途徑，通過將多硫化物固定與催化硫轉化統一起來。」
項目 規格 可逆容量 1455.7 mA h g⁻¹ 速率能力 773 mA h g⁻¹ 容量衰退 0.034% 每循環