近年來，鋰離子電池在技術領域不斷突破，能量密度已經接近極限，但仍遠遠不能滿足新能源汽車及其他電子設備對高能量密度儲能器件的需求。因此，發展更高能量密度的電池體系是亟需面臨解決的難題。鋰硫電池理論能量密度高達2600 Wh kg^-1，大約是鋰離子電池的6倍，在電子產品、動力電池等領域具有廣闊的應用前景。但硫正極較低的電導率，緩慢的鋰離子傳輸動力學以及多硫化物的穿梭效應導致了電池容量的快速衰減，極大限制了鋰硫電池的實際應用。 

　　中科院蘇州納米所劉美男等在前期研究中發現構筑聚離子結構提升離子在本體電解液中遷移速率（J. Mater. Chem. A, 2020,8, 8033；Adv. Funct. Mater. 2022, 2203336；Nano Res. 2022, 1998；Chem. Eng. J. 2022, 434, 134647）；構筑超快離子導體型SEI可加速Li⁺在固體界面輸運動力學（ACS Nano 2022, 16, 16898；Adv. Funct. Mater. 2022, 2112598）；合理的結構設計可促進載流子的傳輸（Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702946；Nano Energy, 2016, 26, 610; Nano Energy, 2018, 46, 266; Adv. Funct. Mater. 2021, 2110468）。然而在液態電解質中Li⁺ 離子通常與溶劑分子配位，在電極反應過程中需要克服勢壘才能除去溶劑分子，以獲得裸核Li⁺離子改善其在多硫化物轉化反應中的動力學。結合前期研究構筑缺陷或單原子催化劑可降低鋰離子/原子擴散勢壘，有助于提高鋰動力學行為以獲得長的鋰電池循環壽命（Nano Lett. 2022, 22, 8008；Energy. Environ. Mater. 2022, 5,731；Nano Lett. 2021, 21, 3245；Chem. Eng. J. 2022, 429, 132352; Energy Storage Mater. 2019, 18, 246; Energy Storage Mater. 2020, 28, 375；ChemSusChem 2020, 13, 3404），通過合理的界面設計以搭建界面功能層有望加速鋰離子去溶劑化提高鋰硫電池轉化動力學。 

　　針對硫正極反應動力學及鋰離子傳輸動力學緩慢等問題，中科院蘇州納米所劉美男、藺洪振等聯合德國卡爾斯魯厄理工學院王健博士以及澳洲昆士蘭科技大學Cheng Yan教授，從催化去溶劑化的角度，設計了橋聯結構電子離子雙導通的高通量MOF@CC篩分層，實現了鋰離子快速去溶劑化的效果。利用MOF@CC結構中的活化C-N橋聯鍵作為催化位點，推動了界面Li(solvent)_x⁺的脫溶劑化，獲得了更快的裸核鋰離子傳輸速率，大大改善了多硫化物轉化動力學，提升了電池的電化學性能。 

　　圖1. 電催化橋聯MOF@CC實現鋰離子去溶劑化及加速多硫化物轉化動力學示意圖 

　　通過X射線光電子能譜(XPS)、傅里葉變換紅外(FTIR)和熱重分析儀(TGA)進一步研究了MOF@CC中的C-N橋聯鍵的形成機制，這主要歸結為MOF中的-NH₂配體可以與氧化石墨烯和碳化葡萄糖中C原子形成C-N橋聯鍵。將MOF@CC涂覆在商用PP隔膜上（MOF@CC@PP）實現了高鋰離子遷移數與高離子電導率。 

　　圖2. MOF@CC材料以及C-N橋聯鍵的表征 

　　Li⁺-溶劑配合物在通過PP隔膜時保持了相似的結構，且這些復雜的配合物需要額外的能量來去除溶劑分子以獲得Li⁺離子，阻礙了多硫化物轉化動力學。相比之下，當這些大尺寸的溶劑化Li⁺離子通過MOF@CC層的狹窄通道時，外層的溶劑化鞘層可以被有效篩分快速形成裸核Li⁺離子，促進多硫化鋰的相互轉化及硫化鋰的沉積。 

　　圖3. 通過模擬和光譜實驗證明MOF@CC橋聯網絡加速鋰離子去溶劑化 

　　圖4. MOF@CC提升電化學催化反應動力學 

　　進一步地，設計的MOF@CC@PP體系在實際電池中展現出應用潛力，組裝的Li/S紐扣電池呈現出優越的速率性能，在0.5C下循環100次容量保持率可以達到88%。同時，在貧電解液和厚度為100 μm 的有限鋰條件下，軟包電池70次循環后放電容量為855 mAh g^-1，平均庫倫效率達到99.2%。 

　　圖5. Li/S紐扣電池以及軟包電池性能 

　　相關工作以Electrocatalytic MOF-carbon bridged network accelerates Li⁺-solvents desolvation for high Li⁺ diffusion towards rapid sulfur redox kinetics為題發表在Advanced Functional Materials上。論文第一作者為蘇州納米所博士生李麟閣與碩士生涂海峰，通訊作者為德國卡爾斯魯厄理工學院王健博士、澳洲昆士蘭科技大學Cheng Yan教授以及蘇州納米所劉美男項目研究員。該工作得到了國家自然科學基金面上項目、江蘇省自然科學基金、國家重點研發計劃等項目資助。 

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