【研究背景】
隨著便攜電子設備和電動汽車的迅猛發展，對高能量密度儲能系統的需求日益增長。鋰硫電池（Li–S battery）因其理論能量密度高達2600 Wh·kg-1、硫資源豐富且環境友好，被廣泛認為是新一代儲能體系的有力競爭者。然而，其商業化應用仍面臨兩大技術瓶頸：一是硫正極在充放電過程中會產生高溶解性的鋰多硫化物（Li2Sx），其在電解液中的穿梭效應易導致活性物質損失和容量衰減；二是金屬鋰負極在沉積過程中易形成枝晶，造成電池短路和安全隱患。近年來，功能隔膜的設計成為解決上述問題的重要方向。其中，金屬-共價有機框架（metal–covalent organic frameworks, MCOFs）因其有序多孔結構、良好的化學穩定性以及可調的金屬活性位點，展現出調控多硫化物轉化和鋰沉積行為的獨特優勢。特別是將金屬以單原子形式引入COF骨架，有望進一步提升催化活性和離子調控能力，為實現高性能鋰硫電池提供全新材料平臺。
【工作簡介】
近日，西北工業大學賀亦柏副教授課題組在國際知名期刊Advanced Functional Materials上發表題為：“Developing a One-Pot Strategy to Synthesize Metal–Covalent Organic Frameworks as Catalysts for Polysulfide Conversion and Ion Calibrators for Lithium Deposition”的研究工作。提出了一種簡潔高效的一步法合成策略，成功構建出Zn單原子摻雜的共價有機框架材料（Zn-COF），并系統應用于鋰硫電池隔膜修飾。Zn在材料中以+2價單原子形式均勻分布，負載量高達12.43 wt%，形成穩定的Zn–N/O配位結構。Zn-COF在多硫化物催化轉化方面表現優異，其對Li2S6具有強吸附能力，并能促進Li2S成核過程，Li2S沉積容量提升至373 mAh·g-1，遠高于對照組。同時，鋰對稱電池在10 mA·cm-2下實現2000小時穩定循環，表明其可有效抑制鋰枝晶。Zn-COF修飾隔膜組裝鋰硫電池的初始容量達1535 mAh·g-1（0.1 C），在4 C高倍率下仍保持567 mAh·g-1，并在1 C下500次循環后保持726 mAh·g-1，容量保持率達75%。即使在高硫載量（5.4 mg·cm-2）和貧電解液（E/S = 10 μL·mg-1）條件下，仍能實現4.43 mAh·cm-2的面積容量和良好的循環穩定性。該工作為金屬單原子COF材料的大規模構筑和實用化提供了有效途徑，并為高性能鋰硫電池的開發提供了新思路。
【內容表述】
1）創新合成策略：一步構建Zn單原子COF結構。通過簡潔高效的一鍋法合成策略，作者成功將Zn單原子均勻引入COF骨架中，構建出具有Zn–N/O配位結構的MCOF材料，兼具高金屬負載（12.43%）與有序多孔結構，兼顧結構穩定性與功能性，為單原子COF材料的可規?；苽涮峁┬滤悸?。
2）雙向催化多硫化物轉化，抑制穿梭效應。Zn單原子位點展現出優異的吸附與催化能力，能顯著提升多硫化物的轉化動力學，降低反應極化，強化液–固與固–液轉化過程，有效緩解穿梭效應，提高電池的容量保持率與循環穩定性。
3）鋰離子通量調控，實現枝晶抑制與均勻沉積。Zn原子的鋰親和性結合COF的孔道結構，能夠引導Li+在電極表面均勻沉積，避免局部高電流密度，顯著抑制枝晶生長，延長循環壽命，即使在高電流密度和高硫載量下依然表現出優異的穩定性。
圖1 Zn-COF的具體制備流程。
圖2 Zn-COF結構表征。
圖3 Zn-COF對多硫化物的吸附和催化作用。
圖4 鋰對稱電池性能。
圖5 鋰硫電池性能。
【結論】
本文提出一種一步法合成Zn單原子摻雜共價有機框架（Zn-COF）的策略，成功構建出具有高Zn負載和有序多孔結構的功能材料。Zn單原子通過與COF中N/O位點配位，賦予材料優異的多硫化物吸附與催化能力，有效抑制“穿梭效應”，加速硫的雙向轉化。同時，Zn位點對鋰離子具有親和性，協同孔道結構實現均勻鋰沉積，顯著抑制枝晶生長。在鋰硫電池中，Zn-COF隔膜展現出高容量、高倍率、長壽命和高硫載量兼容性等優異性能。該工作為單原子MCOF材料的大規模構筑與實用化提供了新思路，推動鋰硫電池邁向高性能與可應用化。
來源：能源學人
【文獻詳情】
Ke Yang, Fei Zhao, Chan Li, Shaokun Zhou, Juan Li，Haoyuan Yang, Yichen Wang, Xuqing Liu, Yibo He*, Developing a One-Pot Strategy to Synthesize Metal–Covalent Organic Frameworks as Catalysts for Polysulfide Conversion and Ion Calibrators for Lithium Deposition. Adv. Func. Mater., 2025, 2501980. DOI: 10.1002/adfm.202501980
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