二维MOF衍生钴钼硫化物修饰的纳米纤丝化中空碳纳米纤维：一种高效锂硫电池阴极材料

本推荐介绍一种通过电催化剂（如Co4S3/MoS2异质结构）修饰纳米纤丝化中空碳纳米纤维（Nfib-HCNFs）的创新阴极材料，可显著抑制多硫化锂（LiPSs）穿梭效应，提升氧化还原动力学，实现1282 mAh g?1的高放电容量和500次循环稳定性，为锂硫电池（LiSBs）商业化提供新策略。

　　

Highlight

电催化剂的运用为缓解多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应提供了重要手段，改善了转化动力学和整体电化学性能。本文采用简单策略在纳米纤丝化中空碳纳米纤维（N_fib-HCNFs）上生长二维钴金属有机框架（2D Co-MOF），随后通过钼蚀刻和硫化处理，开发出Co₄S₃/MoS₂@N_fib-HCNFs作为锂硫电池（LiSBs）的高效阴极材料。负载硫后，所制备的阴极材料表现出优异的电化学性能：在0.1C下具有1282 mAh g^?1的高比放电容量，在1C下经过500次循环后仍保持约61.3%的放电容量和92.3%的库伦效率。N_fib-HCNFs基质中的Co₄S₃/MoS₂异质结构增强了硫利用率，抑制了多硫化物穿梭，并加速了氧化还原动力学。Co₄S₃/MoS₂@N_fib-HCNFs电极在充放电能力、高库伦效率和低电压滞后（151.1 mV）方面优于N_fib-HCNFs。其多孔结构、高导电性和丰富催化位点实现了增强的多硫化物转化、改进的长期稳定性和多硫化物捕获。本研究为N_fib-HCNFs的改性提供了方法，推动了LiSBs的未来应用发展。此外，通过Co₄S₃/MoS₂异质结构进行多硫化物转化的策略，可为下一代储能系统提供更精细的设计策略。

Introduction

电动汽车（EVs）和便携式电子设备的广泛推广，加剧了对先进电化学储能系统的需求，这些系统需要显著更高的能量密度，并能克服现有锂离子电池（LiIBs）的限制。作为LiIBs的有前途替代品，锂硫电池（LiSBs）因硫与多硫化锂（LiPSs）之间基于转化的电化学反应，具有更高的理论容量（1675 mAh g^?1）和理论重量能量密度（2600 Wh kg^?1）。尽管存在这些优势，LiSBs仍面临各种固有挑战，特别是硫和Li₂S的电子和离子导电性不足、臭名昭著的“穿梭效应”（包括多硫化锂（Li₂S_x）在电解质中的溶解和迁移）以及重复充放电循环中的显著体积变化（约80%）。由于穿梭效应，可溶性多硫化物向阳极的迁移导致永久容量损失，限制长期循环性能，降低库伦效率，引起快速容量衰减，从而限制了LiSBs的商业可行性。为了解决这些问题，当前研究集中于通过先进阴极材料设计与开发、硫的分子工程、电解质优化、高效隔膜设计等多种策略，优化硫的电化学反应动力学并减少穿梭效应。这些策略代表了克服锂硫电池现有挑战的多方面方法，以实现增强性能和商业可行性。

在改善LiSBs性能的多种尝试中，一些集成催化材料显著改善了多硫化锂（LiPS）中间体（Li₂S_n，4≤n≤8）向不溶性Li₂S₂和Li₂S的转化，从而有助于在多次循环中保持容量。例如，过渡金属硫化物、氧化物、氮化物和碳化物在加速硫氧化还原反应中表现出显著的电催化行为。尽管这些催化材料显示出良好效果，但其合成过程的复杂性及其在电池结构中的整合为广泛接受带来了障碍。电纺纳米纤维衍生的碳纳米纤维（CNFs）基电极材料作为一种独特解决方案，正在获得认可，以改善LiSBs的机械强度、导电性和电化学行为。在各种类型的CNFs中，纳米纤丝化中空CNFs（N_fib-HCNFs）因具有高比表面积、可调节孔隙率以及限制硫和避免多硫化物迁移的能力，显示出用于LiSBs电极材料开发的潜在应用。此外，通过装饰垂直生长的金属有机框架（MOFs）转化的纳米多孔碳材料与双金属硫化物异质结构对这类N_fib-HCNFs进行改性，可提供有前途的催化性能和对LiPSs的保护。导电N_fib-HCNFs与MOF衍生异质结构的整合通过改善由于连续导电网络带来的电导率、高比表面积和分级孔隙率以实现均匀硫分布和改进利用率，为LiSBs阴极材料开发提供了众多优势。MOF衍生异质结构的极性表面有效捕获LiPSs，减少穿梭效应并增强循环稳定性。纳米纤维框架适应硫的体积变化，确保结构完整性并延长阴极寿命。此外，MOF衍生异质结构的催化性能加速多硫化物转化，增强氧化还原反应动力学，促进高效锂离子传输，减少扩散阻力，并改善LiSBs的倍率性能。

在本研究中，我们展示了一种基于锚定在具有分级微孔/中孔结构的N_fib-HCNFs上的钴基2D MOFs获得的钴钼硫化物异质结构的新型电极形式。N_fib-HCNFs具有更好的硫吸附能力，同时MOFs衍生的钴钼硫化物异质结构具备电学和离子传输能力。此外，N_fib-HCNFs作为导电/耐久基质，还为Li/S系统提供了足够的呼吸空间，使其能够在（放）电过程中维持高度可逆反应，从而确保此类系统未来应用的实际可行性。我们的结果进一步证明，Co和Mo硫化物在N_fib-HCNFs中的导电性质在这种3D分级结构中的组合，不仅带来了LiSBs系统在倍率容量和稳定性等方面的改进，还有潜力为各种储能应用的替代电极材料设计和开发开辟新天地。此类电极材料提供改进的催化性能和更好的多硫化物捕获，从而改善整体电池性能。将N_fib-HCNFs与垂直排列的MOF衍生Co–Mo硫化物异质结构相结合的全新阴极设计，将从先进材料角度和多功能整合为储能应用，成为LiSBs性能增强的新一步。

Conclusions

我们由此证明了具有垂直排列二维MOF基Co₄S₃/MoS₂异质结构的N_fib-HCNFs显著改善了LiSBs的电化学性能。发现Co₄S₃/MoS₂异质结构在高度多孔的碳基质N_fib-HCNFs中包装时，可增加硫利用率、抑制多硫化物的穿梭效应并促进氧化还原动力学。发现电极Co₄S₃/MoS₂@N_fib-HCNFs/S的性能优于N_fib-HCNFs/S。