NH2–CuBDC纳米片复合膜：具有快速Li+传输性能并抑制多硫化物迁移，适用于锂硫电池

《ACS Applied Energy Materials》：NH2–CuBDC Nanosheet Composite Membranes with Fast Li+ Flux and Inhibiting Polysulfide Migration for Lithium–Sulfur Batteries

锂硫电池高能量密度但面临 shuttle效应和锂枝晶问题。本研究通过简单制备法设计NH2–CuBDC/PP复合隔膜，其二维纳米片结构实现均匀锂离子传输和复杂多硫化物路径，氨基及金属位点增强多硫化物化学吸附。实验显示该隔膜使Li-S电池循环寿命提升至400次以上（较PP提升两倍），且在4.5 mg cm-2高硫负载下仍保持1007.3 mAh g-1容量。

　　

高能量密度的锂硫（Li–S）电池被认为是最有前景的下一代二次电池之一。然而，锂枝晶的形成和穿梭效应显著缩短了电池寿命，严重阻碍了其商业化应用。本文采用简单且低成本的方法制备了具有均匀离子传输能力和高多硫化物保留能力的NH₂–CuBDC/PP复合膜。系统研究揭示了NH₂–CuBDC/PP复合膜的离子传输通道与锂离子（Li⁺）选择性传导及电池性能之间的关系。值得注意的是，二维NH₂–CuBDC纳米片的高长厚比结构及其独特的孔隙结构为锂离子提供了充足且均匀的传输通道，同时为多硫化物的移动创造了迂回路径。此外，NH₂–CuBDC中的固定氨基和金属位点显著增强了多硫化物的化学吸附能力，这一结果与实验和模拟结果一致。因此，采用NH₂–CuBDC/PP复合隔膜的电池表现出显著延长的循环寿命。具体而言，采用该隔膜的锂锂（Li–Li）电池在700小时以上时间内保持稳定运行（几乎是采用PP隔膜的4倍），且极化曲线平缓稳定，有效抑制了锂枝晶的形成。组装而成的锂硫电池在2 C电流下具有736.5 mAh g^–1的高比容量，并在400次循环后仍能保持稳定性能（循环寿命是使用PP隔膜电池的两倍）。即使在4.5 mg cm^–2的高硫负载下，该电池在0.1 C电流下也能实现1007.3 mAh g^–1的高比放电容量。本研究为设计具有离子选择性的功能隔膜、以实现无锂枝晶的高性能锂硫电池提供了策略。