近日，針對鋰硫電池中多硫化物穿梭效應所引發的電池循環穩定性差、容量衰減等關鍵問題，陜西科技大學化學與化工學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內部原位形成的富氫鍵（F···H）網絡和有序的二維層狀孔道，實現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出優異的電化學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建COF@PVDF材料，借助其內部豐富的氫鍵網絡（F???OH）和有序的二維傳輸孔道，實現了鋰離子的快速傳輸以及多硫化物的有效催化轉化與抑制。
2. 通過調控聚合物含量，研究發現TTP@PVDF50材料展現出卓越的綜合性能。基于該材料制備的改性隔膜在鋰硫電池中表現出2.10 mS cm-1的高離子電導率和0.85的鋰離子遷移數。
3. 在S@CNT||Li電池中，于0.2 C電流密度下實現了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，經過長期循環后仍保持不低于86%的容量保持率。
圖2. (a) TTP COF與PVDF氫鍵交聯示意圖。(b) TTP@PVDF50的RDG和Sign(??2)??函數關系圖。(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的鋰離子電導率及Li+遷移數；(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系；(e) TTP@PVDF50電池的GITT曲線；(f) TTP@PVDF50與TTP-PVDF50電池的內阻對比；(g) Li+和COF的均方位移隨模擬時間的變化關系；(h) TTP@PVDF50與TTP-PVDF50電池的原位電化學阻抗.
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優化構型圖。
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（插圖為選定循環區間的局部放大圖）。
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，陜西科技大學黃文歡教授, 西安工業大學金洗郎教授,西北大學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）
校友
教工
學生