暨南大学融媒体中心讯 开发无钴（Co）、镍（Ni）等稀有金属资源的金属电池正极材料备对发展高可持续性、低成本电化学储能系统具有重要意义，备受国内外研究人员的关注。近日，化学与材料学院宾德善/李丹在资源丰富型铜基和硫基正极材料研究方面取得新进展，相关研究成果分别发表在国际权威期刊Angew. Chem. Int. Ed. (影响因子16.6) 和J. Am. Chem. Soc. (影响因子14.5)。

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铜基导电MOF正极材料具有结构可设计、成本低、可持续性强、电子导电性高等优势，有广阔应用前景。然而，其实际应用往往受到比容量和循环稳定性的限制。此外，前期所报道的导电MOF正极电池性能通常是在过量电解液，低活性物质载量下进行测试，而贫电解液、高活性物质负载量工况下的性能表现，对其未来的实际应用是必须考虑的因素，但现有研究对该问题的关注不多。基于此，团队设计了一维高密度储锂活性中心的铜基导电MOF纳米带（DDA-Cu），获得了高比容量（353 mAh g-1）和高循环稳定性（循环1000圈，容量保持率为78%）；并实现了在高载量贫电解液条件下的电化学性能，当MOF正极载量分别高达5.3 和6.8 mg cm-2，E/AM分别等于4和2 mL mg-1时，其在0.2 A g-1和0.05 A g-1电流密度下仍能够发挥出高的比容量，并能够实现循环，初步探讨和证明该MOF正极的实际应用潜力。该铜基MOF正极综合电池性能优于目前已报道的导电MOF正极性能。论文发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202421008，并入选期刊的VIP论文。化学与材料学院2022级博士研究生杨梦华和王莹为共同第一作者。

锂电池用铜基导电MOF纳米带（DDA-Cu）锂电池正极

鉴于锂在自然界的含量较低（0.0019% wt%）和日益增长的电化学储能应用需求，开发更加低成本和资源丰富的电池体系成为迫切需求。室温Na-S和K-S电池具有高能量密度，由硫正极及钠或钾金属负极组成，不涉及锂、钴和镍元素等稀有资源，而如何设计具有高反应活性和高稳定性的硫基正极是发展高性能电池器件的关键。然而，用于存储Na/K的硫正极存在反应动力学方面的难题，尤其对于储钾而言，传统S8材料面临K2S3还原至K2S困难的挑战，导致硫电极容量和稳定性低。此外，传统硫正极还存在电导率低、产生可溶性多硫化物发生穿梭，反应过程体积形变严重等挑战。前期有相关报道设计小硫分子（S2-4）可以有效地增强反应动力学。然而，将这种小分子硫正极对于K-S电池体系而言，仍无法解决容量衰减快的难题。

针对上述挑战，研究团队以微生物酵母菌和元素硫为前驱体，通过控制热处理引发两种前驱体的反应重构获得导电有机硫聚合物微笼（COSP）。所获得的COSP正极材料不仅制备工艺简单、化学性质稳定，还展现出优异的电导率。短链硫物种与导电聚合物基体紧密结合有效抑制了可溶性多硫化物的形成，而其独特的中空微笼结构提供了内部空间，能够有效缓冲电极在充放电过程中的体积变化。特别地，即使作为挑战性较大的K-S电池的正极，COSP正极可发挥高的比容量（1206.5 mAh g⁻¹）和优异的循环稳定性，在0.9A g-1条件下1100次循环后容量保持率接近100%；该研究为开发高性能、高稳定性的碱金属-硫电池新型硫基正极材料提供了新的思路，同时深化了对钾硫转化化学反应机制的理解。该成果发表在J. Am. Chem. Soc. 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c11845。化学与材料学院2024届硕士毕业生曾娴和2022级硕士研究生易子坚为共同第一作者。

钠/钾硫电池用有机硫聚合物微笼（COSP）硫基正极材料

责编：周会谦