目前的鋰離子電池技術不具備滿足可再生能源需求所需的能量密度。理論上，鋰硫電池可能是一種可行的替代品，具有更高的比容量和能量密度。然而，硫的缺點目前限制了其實際應用。

2 月 8 日， 《Nano Research》 發(fā)表的一篇綜合綜述概述了基于金屬有機框架的正極材料如何提高鋰硫電池的性能，使其成為鋰離子電池的實用替代品。

鄭州大學研究員陳偉華表示：“高性能鋰硫電池的應用仍受到一些重大問題的阻礙，導致實際容量和循環(huán)穩(wěn)定性不可接受。” “首先，硫的導電性差以及放電產物的導電性顯著增加了電池的部分內阻，限制了活性材料的利用效率。此外，鋰化過程后硫陰極的嚴重體積膨脹會導致電極的結構粉碎。” 由于這些限制，鋰硫電池存在安全問題和性能問題，目前阻礙了其廣泛采用。

由金屬有機框架制成的先進硫陰極可能是解決方案。金屬有機骨架通常由金屬離子/團簇組成，具有高孔隙率、孔徑可調和孔結構可控等獨特性能。由于導電性差和結構穩(wěn)定性不足，原始金屬有機骨架尚未應用于鋰硫電池;然而，最近的研究表明金屬有機框架如何與石墨烯、碳納米管和一些聚合物等導電材料結合。

“由于金屬有機骨架材料具有多孔微結構、超大比表面積和可調節(jié)的官能團，作為鋰硫電池的潛在正極材料受到了研究人員的關注，并取得了重大進展。特別是金屬有機骨架相關材料可以有效抑制多硫化物在電解質中的溶解和擴散。”

這篇對已發(fā)表文章的綜述著眼于原始金屬有機框架、不同的金屬有機框架復合材料和金屬有機框架衍生物。這些未改變的無機金屬和有機成分具有晶體結構，并顯示出儲存活性硫的前景，但它們中的大多數不具備有效電池運行所需的導電性。

金屬有機骨架復合材料增強了金屬有機骨架的性能，提高了導電性并增強了結構穩(wěn)定性。石墨烯、碳納米管和導電聚合物都是改善原始金屬有機框架局限性的可行選擇。另一種替代方案是衍生自金屬有機骨架或金屬有機骨架衍生物的材料。例如，金屬有機骨架衍生的碳材料可以促進電子和離子轉移并解決硫陰極內發(fā)現的體積膨脹問題，但可能會損害金屬有機骨架的結構。目前正在研究如何改進這些不同的材料并在鋰硫電池中充分利用這些材料。

展望未來，研究人員正在繼續(xù)探索基于金屬有機框架的材料及其獨特功能如何提高鋰硫電池的性能。“金屬有機骨架相關材料正在成為鋰硫電池有前景的硫正極材料。盡管近年來取得了重大進展，但鋰硫電池的商業(yè)化仍然存在需要克服的挑戰(zhàn)。金屬有機骨架相關材料在鋰硫電池中的實際應用需要時間和努力，但這篇綜述可以為這些材料的未來發(fā)展提供有用的指導。”陳說。

其他貢獻者包括鄭州大學的Zhengkun Xie、Boyong Cao和Ruixue Wang;河南工業(yè)大學的岳希燕和王繼佳;京都大學的薛子謙;和弘前大學的關國慶。

國家自然科學基金委、河南省重點研發(fā)計劃、科技攻關聯合基金、河南省發(fā)展計劃、教育部春暉計劃合作研究項目基金等資助該研究。