【引言】

作為新型多孔材料，金屬有機框架材料（MOFs）具有超高的孔隙率及比表面積，在氣體分子的存儲、分離和釋放方面的應用潛力已被廣泛研究。理論上，MOF的多孔性能可以用于電化學儲能，然而MOFs通常導電性不好，因此其在電子器件及儲能期間方面的應用潛力一直沒有得到充分發(fā)展。鋰硫電池作為新型綠色儲能技術，在超級微電池等領域有著光明的應用前景。MOFs導電性的提高與高性能鋰硫電池對于高充放電倍率的需求結合，為新能源儲存技術的發(fā)展提供了新的方法和思路。

【成果簡介】

近日，武漢大學鄧鶴翔教授、柯福生副教授（共同通訊作者）帶領科研團隊，經過四年多的反復嘗試和不斷摸索，開發(fā)了一種MOFs與導電聚合物（聚吡咯ppy）的復合材料——ppy－MOF，使得MOFs電導率提升5－7個數(shù)量級，且制備成本低廉，適合大規(guī)模生產。將ppy－MOFs復合物用于鋰硫電池硫正極載體材料，完美地結合了MOFs的極性和多孔優(yōu)勢以及導電聚合物的導電特性，并通過討論MOFs不同的孔道結構對電池性能的影響。首次闡明了孔道幾何結構與高倍率性能的關系。其中，具有交聯(lián)通透孔隙和通道的PCN－224脫穎而出，在高達16．8Ag－1的充放電電流密度下，ppy－PCN－224／S電極在200次和1000次循環(huán)后容量分別可高達670和440mAh·g－1。該研究成果為下一代新型電池儲能的電極材料的設計提供理論指導，并開拓了MOFs在電化學方面的應用前景。該成果以“Metal－OrganicFrameworksforHighCharge－DischargeRatesinLithium－SulfurBatteries”為題發(fā)表在Angew．Chem．Int．Ed．上，并選為VIP和封面文章。武漢大學的博士生江浩慶和碩士生劉曉晨為文章的共同第一作者。

【圖文簡介】

圖1ppy－MOF的優(yōu)勢所在

A）高性能Li－S電池應滿足的三項準則：多孔性、極性和導電性，ppy－MOF能夠集上述特性于一身。
B）相比其它常見硫載體（原始MOF、多孔碳和ppy），ppy－MOF結構能夠良好的存儲多硫化物，離子擴散和電子轉移性能更優(yōu)。

圖2ppy－S－in－MOF結構的制備、形貌和電導性

A）ppy－S－in－MOF結構的制備過程；

B－D）PCN－224、S－in－PCN－224和ppy－S－in－PCN－224晶體的SEM圖像（標尺500nm）；

E－G）MIL－101、S－in－MIL－101和ppy－S－in－MIL－101晶體的SEM圖像（標尺200nm）；

H）ppy－S－in－MIL－101的HAADF－TEM圖像；

I－L）ppy－S－in－MIL－101的元素分布；

M）MOF和ppy－S－in－MOF結構的導電性；

N）以ppy－MOF、MOF、ppy和多孔碳作為硫載體，0．2C下ppy－MOF結構抑制多硫化物穿梭的效果最好。

圖3ppy－S－in－MOF結構的電化學性能

A）電池在高倍率和低倍率下充電的關鍵影響因素，圓圈的大小意味著因素的重要性強弱；

B，C）ppy－S－in－MIL－53、S－in－MIL－53和ppy－S電池從0．1C到1．0C的倍率性能及其1．0C下相應的100周期循環(huán)性能；

D）ppy－S－in－PCN－224和S－in－carbon從0．5C到5．0C的倍率性能；

E）5．0C下S－in－carbon電極和5．0、10．0C下ppy－S－in－PCN－224電極400次充－放電循環(huán)后的GDC曲線；

F）5．0C下ppy－S－in－PCN－224、ppy－S－in－MIL－53、ppy－S－in－MIL－101和S－in－carbon電極的循環(huán)性能；

G）10．0C下ppy－S－in－PCN－224電極的長期循環(huán)性能，灰色點為庫侖效率。

圖4MOF的結構以及離子擴散路徑

PCN－224、MIL－53和MIL－101的晶體結構及其相應的離子擴散路徑。相比MIL－53不連續(xù)的通道以及MIL－101中的3D分級籠狀通道，PCN－224的交聯(lián)孔道能夠更有效的進行離子擴散。

【小結】

多孔電極材料的孔道結構對離子擴散速度有著至關重要的作用，從而影響電池性能。該工作制備得到的ppy－MOF復合物為解決MOFs的導電率問題提供了一種新的方式，進而可以充分發(fā)揮MOFs的極性和多孔性在鋰硫電池中的優(yōu)勢。研究表明具有較短離子遷移途徑和較大孔徑的MOFs最適合Li－S電池高倍率長周期循環(huán)。這項研究還開拓了MOFs在電化學方面的應用前景。

文獻鏈接：Metal－OrganicFrameworksforHighCharge－DischargeRatesinLithium－SulfurBatteries（Angew．Chem．Int．Ed．，2018，DOI：10．1002／anie．201712872）

【團隊簡介】

鄧鶴翔，武漢大學教授，博導，國家青年入選者。主要從事新型晶態(tài)納米孔材料MOFs的系統(tǒng)性設計與合成，并針對可持續(xù)綠色能源領域、生物醫(yī)用材料等領域中的關鍵問題和挑戰(zhàn)開展創(chuàng)新性和持續(xù)性的研究。本課題組建立了良好的實驗室文化，搭建了完善的具有國際先進水平的儀器平臺，可對晶態(tài)孔材料進行全方位的表征及應用研究。依托于武漢大學化學與分子科學學院教育部生物醫(yī)用材料重點實驗室和武漢大學高等研究院，課題組目前已經在Nature，J．Am．Chem．Soc．，Angew．Chem．Int．Ed．，Nat．Commun．等雜志發(fā)表多篇論文，論文的篇均引用率逾100。與此同時，本課題組還與國內外著名大學和研究機構建立了緊密、深入的合作關系，熱忱歡迎有科研熱情、創(chuàng)新性思維且希望接受嚴格科學訓練的本科生，碩士研究生，博士研究生和科研人員加入本課題組。