钆基MOF/KB衍生Gd2 O3 @C/KB复合材料提升锂硫电池性能的协同机制研究

【编辑推荐】本研究针对锂硫电池(LSBs)中多硫化物穿梭效应和导电性不足等关键问题，通过将稀土氧化物Gd2 O3 与导电炭黑(KB)复合构建核壳结构Gd2 O3 @C/KB隔膜材料。该材料兼具物理吸附与化学催化双重功能，使3 mg cm?2 硫载量电池在500次循环后仍保持490.6 mAh g?1 容量，为高能量密度储能系统开发提供新思路。

　　

锂硫电池(LSBs)因其高达1675 mAh g^?1
的理论比容量和2600 Wh kg^?1
的能量密度，被视为下一代储能技术的明星选手。然而这个"储能界的明日之星"却长期被三大顽疾困扰：硫正极的绝缘特性导致"电流传导难"，充放电过程中80%的体积膨胀引发"电极结构崩"，最致命的是可溶性多硫化物(LiPSs)在正负极间的"穿梭效应"造成活性物质持续流失。这些难题如同三座大山，严重阻碍着LSBs的商业化进程。

为攻克这些技术瓶颈，江苏高校的研究团队独辟蹊径，将目光聚焦于稀土元素钆(Gd)的特殊电子轨道特性。通过将钆基金属有机框架(Gd-MOF)与导电炭黑(Ketjen Black, KB)复合，创新性地设计出具有分级结构的Gd₂
O₃
@C/KB隔膜修饰材料。这项发表于《Journal of Energy Storage》的研究表明，这种"稀土-碳"杂化材料不仅能像"分子监狱"般禁锢多硫化物，还搭建起电子传输的"高速公路"，使电池性能获得突破性提升。

研究团队主要采用三大关键技术：室温溶解法制备Gd-MOF/KB前驱体，通过精确控制碳化温度(600°C)获得核壳结构，结合电化学阻抗谱(EIS)和循环伏安法(CV)评估材料性能。实验选用3-5 mg cm^?2
的硫载量模拟实际应用条件，通过对称电池测试验证催化活性。

实验结果与讨论

1. 材料表征：拉曼光谱显示Gd₂
   O₃
   @C/KB的I_D
   /I_G
   值达1.9，表明KB引入显著增加碳缺陷位点。BET测试揭示复合材料具有412.6 m²
   g^?1
   的比表面积，为多硫化物吸附提供充足场所。

2. 电化学性能：在0.5C倍率下，改性电池初始放电容量达874.6 mAh g^?1
   ，500次循环后容量保持率56.1%，衰减率仅0.088%/次。即使硫载量提升至5 mg cm^?2
   ，仍展现优异稳定性。

3. 机理分析：XPS证实Gd₂
   O₃
   与LiPSs形成Gd-S键实现化学锚定，同步辐射显示KB网络加速电子传输，二者协同将Li₂
   S成核过电位降低至89 mV。

结论与展望
该研究开创性地将稀土催化与碳基质传导优势相结合，Gd₂
O₃
@C/KB中Gd³⁺
的4f空轨道对多硫化物的强吸附能力，与KB的三维导电网络产生"1+1>2"的协同效应。这种"物理限域-化学锚定-催化转化"三位一体的作用机制，为破解锂硫电池的循环稳定性难题提供了普适性策略。未来通过优化稀土元素配比和孔道结构，有望推动LSBs在电动汽车和智能电网等领域的大规模应用。