基于双金属ZIF-8衍生多孔碳材料的高性能锂硫电池隔膜研究

为解决锂硫电池(LSBs)中多硫化物(LiPSs)穿梭效应导致的循环寿命衰减问题，研究人员通过合成Ni2+ 掺杂的ZIF-8双金属衍生多孔碳材料(Ni-ZIF-8-C)，将其涂覆于隔膜上，显著提升了电池的放电比容量(初始972.4 mAh g?1 @2C)和循环稳定性(1000次循环衰减率仅0.05%/次)，为高能量密度储能器件开发提供了新思路。

　　

随着便携式电子设备和电动汽车的快速发展，传统锂离子电池(LIBs)的能量密度瓶颈日益凸显。锂硫电池(LSBs)因其高达2600 Wh kg^?1
的理论能量密度和硫的低成本优势，被视为下一代储能技术的希望之星。然而，充放电过程中产生的可溶性多硫化锂(LiPSs)会在正负极间穿梭扩散，不仅造成活性物质流失，还会在锂金属负极表面形成绝缘层，导致电池容量急剧衰减——这一"穿梭效应"成为制约LSBs商业化应用的关键难题。

为攻克这一挑战，研究人员创新性地采用金属有机框架(MOFs)材料作为前驱体，开发了一种双金属掺杂的多孔碳隔膜。通过将镍离子(Ni²⁺
)引入沸石咪唑酯骨架材料ZIF-8，经高温碳化后获得具有三维导电网络的Ni-ZIF-8-C材料。这种设计巧妙结合了MOFs的结构可调性和双金属的协同效应：锌(Zn)和镍的共存不仅提供了丰富的极性吸附位点锚定LiPSs，其多孔结构还促进了离子/电子传输，而金属节点的催化作用更加速了多硫化物的转化动力学。

研究团队主要运用了以下关键技术：溶剂热法合成双金属ZIF-8前驱体、高温碳化制备多孔碳材料、扫描电镜(SEM)表征形貌、电化学测试系统评估电池性能。通过对比实验证实，Ni-ZIF-8-C修饰的隔膜展现出显著优于单金属材料的性能。

【Preparation of ZIF-8】
采用锌盐与2-甲基咪唑的室温共沉淀法，通过调控金属/配体比例获得尺寸均一的十二面体ZIF-8晶体，镍离子的引入未明显改变其形貌特征。

【Results and discussion】
SEM显示Ni-ZIF-8-C保持规整多面体结构，比表面积测试证实其具有分级孔隙。电化学测试表明，该材料对LiPSs的吸附能力较纯碳材料提升3倍，同步辐射分析揭示了Ni-Zn双活性中心对Li₂
S₄
/Li₂
S₂
转化的催化作用。组装的LSBs在2C倍率下实现972.4 mAh g^?1
的初始容量，库伦效率稳定在99.2%。

【Conclusion】
该研究开创性地将双金属MOFs衍生碳材料应用于LSBs隔膜改性，通过原子级设计的金属协同作用，同时解决了LiPSs锚定与转化难题。Ni-ZIF-8-C材料兼具高导电性(促进电子转移)、大比表面积(提供吸附位点)和催化活性(加速反应动力学)，使电池在保持高能量密度的同时获得超长循环寿命。这项工作为发展下一代高性价比储能系统提供了重要参考，相关成果发表于《Polyhedron》。

论文通讯作者为Xinzuo Fang和Changquan Li，第一作者Zhiqiang Tang在材料合成与表征方面做出主要贡献。研究者特别指出，这种隔膜改性策略无需复杂设备即可实现规模化制备，具有显著的产业化应用前景。未来通过优化金属配比和孔道结构，有望进一步突破LSBs的性能极限。