近日，湖北工程学院冷小龙课题组通过实验表征+理论计算系统研究了Cu–Ni双金属MOF/PAN（CNMP）电纺膜用于锂硫电池中多硫化物穿梭效应的抑制，极大改善了材料的电化学性能。相关成果发表在国际知名期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上，该工作的理论计算部分得到了合肥先进计算中心的大力支持。
论文标题：Copper-nickel MOF-coated electrospun polyacrylonitrile membranes for Li–S batteries: Mitigating the shuttle effect and enhancing stability
由于具有优异的理论容量和高能量密度，锂硫电池被认为是极具前景的储能系统。锂硫电池在电动车和消费电子领域具有广阔的应用潜力。此外，硫资源丰富且广泛可得，既环保又经济。然而，硫及其放电产物是绝缘体，导电性较差，这降低了硫的利用效率，并显著影响了倍率性能。在锂硫电池循环过程中，可溶性多硫化锂（LiPSs）作为中间产物，会穿过隔膜迁移至负极，导致不可逆副产物的生成。这一问题被称为穿梭效应，会导致电池性能快速衰退以及库伦效率降低。同时，负极表面的锂不均匀沉积可能形成锂枝晶，从而引发安全隐患。因此，寻找能够缓解这些问题的材料至关重要。
金属有机框架（MOFs）是一类多孔材料，在催化等领域具有广泛应用。其结构特点使其能够最大限度地容纳大量硫，从而实现硫的限域。此外，金属离子在MOFs或其衍生物的碳化或氮化过程中形成相应的金属化合物。这些金属化合物大多为极性物质，能够通过与具有相似极性的多硫化物发生吸附作用，抑制多硫化物在充放电过程中溶解，从而限制穿梭效应。作为锂硫电池隔膜的功能化涂层，MOFs及其衍生物的通道结构能够增强电子和离子的传导，并提供分布均匀的活性位点，从而改善电化学性能。MOFs及其衍生物还可以吸附长链多硫化物，其框架结构中的金属阳离子、配体上的官能团以及丰富的电负性原子能够形成强键以捕捉Li2S。因此，开发MOFs并研究其在锂硫电池中的应用已成为一个重要的研究领域。
在该项研究中，研究团队通过合成Cu-Ni MOF纳米颗粒并将其涂覆在静电纺PAN隔膜上，用于抑制多硫化物的穿梭效应并加速其转化。Cu–Ni双金属MOF改性隔膜有效抑制了穿梭效应，利用Cu–Ni MOF纳米粒子的协同催化和吸附能力。改性膜表现出较高的孔隙率和出色的电解液吸收能力。改性膜电池的卓越性能归因于Cu–Ni MOF纳米粒子对锂多硫化物的物理捕获和强化学吸附，显著防止了穿梭效应，并促进了基于强催化转化的快速氧化还原动力学。
相关工作发表在
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124772