摘要：
本研究通过水热合成制备了一种新型的MOF-235@Co9S8复合材料，旨在克服MOF-235作为锂硫电池硫宿主材料所存在的局限性，例如导电性差和多硫化物吸附能力弱等问题。作为多功能基质，Co9S8促进了MOF-235的成核，从而形成了更小的颗粒，并与纯MOF-235相比，比表面积增加了76.7%（达到147.6 m²/g）。优化的MOF-235@5%Co9S8/S负极在0.5C倍率下展现出859.3 mAh/g的高初始放电容量，经500次循环后仍保持556.4 mAh/g，容量保持率达64.7%，显著优于未改性的MOF-235/S。这些性能提升源于Co9S8的协同效应：它不仅提高了电导率和锂离子扩散性，还通过极性的Co─S键将多硫化物化学锚定，并催化加速了多硫化物的转化，从而有效抑制了有害的穿梭效应。该复合材料展现出在高性能、长循环寿命锂硫电池领域的巨大潜力。
文章简介：
随着全球对可再生能源和高效储能需求的不断增长，加之向低碳能源结构的持续转型，高性能和可持续储能系统的开发已成为能源科学领域的核心研究重点。随着可再生能源的快速发展和能源基础设施的持续改进，对下一代电池的要求也日益严格。其中，锂离子电池（LIBs）凭借其成熟的产业基础，已在消费电子、电动汽车和电网储能领域实现了大规模应用。然而，尽管研究人员不断致力于提升锂离子电池的性能，进展仍相对缓慢。此外，其固有的低能量密度也对大幅提高当前锂离子电池系统的有效能量密度构成了重大挑战。
锂硫（Li-S）电池作为一种极具前景的下一代储能技术，近年来备受关注。锂硫电池采用不同的化学体系和材料，这使其有望解决现有问题，并提升储能性能。传统锂硫电池与锂离子电池（LIBs）具有相似的基本结构。它们采用锂金属作为负极，硫作为正极。硫正极具有显著优势：理论容量高（~1675 mAh/g）、理论能量密度极高（2600 Wh/kg）、成本效益高且环保。这些特性使其在电动汽车及其他高能量密度应用中极具吸引力。然而，锂硫电池在实际应用中面临若干挑战。循环过程中锂多硫化物的溶解与迁移（即“穿梭效应”）会降低其充放电效率。此外，硫阴极在电化学反应中会发生显著膨胀。这种体积变化可能破坏电极结构并缩短电池寿命。目前，人们正在积极探索各种策略以解决这些问题。
在锂硫电池的负极材料体系中，金属有机框架（MOFs）因其独特的结构特性而成为极具潜力的候选材料。这些由金属节点和有机连接子构成的晶体多孔材料，具有显著的结构优势：超高的比表面积（高达7000 m²/g）、可调的孔径分布（0.5~9.8 nm）以及丰富的表面化学性质，使其成为理想的硫宿主。现有的MOF材料仍然面临三个关键的实际限制：路易斯酸性开放金属位点上的多硫化物吸附能力较弱；催化活性位点不足，阻碍了多硫化物的有效转化；以及固有导电性较差，大多数MOF的电导率低于10−6 S cm−1，这严重限制了快速电子传输。这些固有限制严重阻碍了基于MOF的硫宿主材料的工业应用。
MOF-235是一种由对苯二甲酸（H2BDC）连接子与共享顶点的八面体[Fe3O]簇构成的三维多孔框架（化学式：Fe3O(BDC)3；H2BDC＝1,4-苯二甲酸）。其周期性介孔结构（孔径约2.8 nm）在通过空间限制固定活性物质的同时，形成了连续的电子传输通道。值得注意的是，该框架中的铁-氧簇与多硫化物形成了Fe─S配位键，从而实现了化学锚定。与此同时，过渡金属硫化物Co9S8因其独特的电子结构和化学性质而展现出显著优势。该材料展现出优异的固有电导率（室温电导率为0.29×10³ S cm-1），有效增强了硫基正极中的电荷转移。其晶体结构中存在的极性Co─S键不仅为多硫化物提供了丰富的锚定位点，还通过强化学相互作用实现了硫物种的固定。更重要的是，Co9S8中的过渡金属钴位点表现出卓越的催化活性，可加速S8向多硫化物的转化，从而在反应机理层面抑制“穿梭效应”。这种集导电性增强、化学硫固定和催化转化于一体的多功能特性，使Co9S8成为一种极具前景的锂硫电池负极材料。
文章结论：
通过合成以Co9S8作为多功能基体的MOF-235@Co9S8复合正极材料，显著提升了锂-硫电池的性能。Co9S8的引入促进了MOF-235的成核，使其粒径减小，比表面积较纯MOF-235增加了76.7%，达到147.6 m²/g。优化的MOF-235@5%Co9S8/S复合材料在0.5C倍率下展现出859.3 mAh/g的高初始放电容量，经500次循环后仍保留556.4 mAh/g，容量保持率达64.7%，远超纯MOF-235/S的性能。这种性能提升源于Co9S8的协同效应：它显著提高了导电性和锂离子扩散能力，通过极性的Co─S键将多硫化物化学锚定以抑制穿梭效应，并催化加速了多硫化物的转化动力学。该复合材料在具有长循环稳定性的高性能锂-硫电池应用方面展现出巨大潜力。
文章信息：
Controlled Synthesis of Metal-Organic Frameworks (MOFs) at Co9S8 Composite for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries
Yuehan Hu, Jingsheng Yang, Bingxin Huang*
https://doi.org/10.1002/bte2.70097
