西南大学/武汉大学，CEJ：基于苯并噻二唑的COF/CNT复合材料作为高效Li-S电池主体，表现出优异的循环稳定性

第一作者：黄桂梅，尹浩羽（共同一作）

通讯作者：吴飞*，朱琳娜*，钟成*

单位：西南大学，武汉大学

锂硫（Li-S）电池的动力学过程和循环稳定性一直是其研究中的主要挑战，这主要是由于循环过程中可溶性反应中间体的溶解和迁移，以及硫的低电导率。在这项研究中，作者将含有杂原子的共价有机框架（B/N/S）均匀包裹在碳纳米管外表面，形成纳米复合材料（COF@CNT）。该复合材料中碳纳米管可提供优异导电性，同时，COF材料中的多种杂原子可以吸附和催化多硫化物的转化。研究发现，COF上的B原子可以化学吸附带负电荷的SX2-，而S原子和N原子可以与Li⁺相互作用，减少“穿梭效应”。同时，杂原子促进了可溶性长链Li₂Sx（4≤x≤8）的液-固相转化，以及随后的固体Li₂S₂向Li₂S的转化，从而增强了动力学。该研究为提高Li-S电池的循环性能提供了新的思路，也丰富了当前对主体材料的研究。

近日，来自西南大学材料与能源学院的吴飞副教授、朱琳娜副教授与武汉大学化学与分子科学学院的钟成副教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“The Benzothiadiazole-based COF/CNT composite as Host for efficient Li-S batteries with excellent cycling stability”的研究论文。在这项工作中，将含有B、N和S杂原子的共价有机框架（COF）原位包裹在碳纳米管（CNT）表面，并成功地将形成的纳米复合材料（COF@CNT）作为硫的主体材料。作为正极材料，COF@CNT/S在0.2 C下的初始比容量为1176 mAh g⁻¹，在1 C下循环1000次后仍保持688 mAh g^-1的容量，库仑效率为99.7%。值得注意的是，该复合材料应用于锂硫电池中表现出非常低的容量衰减率，低至每循环0.029%，是当前报道的Li-S电池中最稳定的电极材料之一。

COF@CNT/S电极比CNT/S电极具有更好的可逆性，更好的倍率性能以及更快的电荷转移。特别是，COF@CNT/S电极在200次循环后仍保持比CNT/S对比电极（443 mAh g^-1）更高的容量（892 mAh g^-1）。在1C电流密度下对COF@CNT/S电极进行了长寿命周期测试，以评估其潜在应用。COF@CNT/S 电池在 1C 下提供了 968 mAh g^-1 的良好容量。循环1000次后，衰减率低至每循环0.029%，平均库仑效率为99.7%。

通过对COF@CNT复合材料的电催化性能进行了综合评价。结果表明COF@CNT材料具有较强的捕获可溶性Li₂S₆的能力，并能够有效地促进Li₂Sn(4≤n≤8)向Li₂S的快速转化。

通过DFT计算证明了COF@CNT具有比CNT更高的吸附能，意味着复合材料能更好地锚定多硫化物。通过DFT计算进一步研究了LiPSs对两种主体材料表面的催化作用。通过对比在COF@CNT和CNT表面实现S8转化为Li₂S所需的吉布斯自由能，可以看出COF@CNT表面的放电过程比CNT表面的放电过程在热力学上更有利。以上结果证明该纳米复合材料具有催化作用。

The benzothiadiazole-based COF/CNT composite as host for efficient Li-S batteries with excellent cycling stability

吴飞副教授简介：毕业于武汉大学化学与分子科学学院，博士研究生。主要从事有机光电功能材料领域的研究，具体研究方向为：钙钛矿太阳能电池和钠离子电池。迄今在材料领域顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.；Adv.Mater.; Adv. Funct. Mater.; ACS Energy Lett.; Chem. Sci.; Sci. China Chem.等杂志以第一作者或通讯作者共发表SCI论文近80篇（其中高被引论文两篇，热点文章四篇）。获批国家自然科学基金项目青年基金，重庆市自然科学基金面上项目各一项。

朱琳娜副教授简介：武汉大学博士，新加坡南洋理工大学博士后。研究方向：有机光电功能材料的设计、合成及应用。现主要研究方向为开发新型有机半导体材料应用于钙钛矿太阳能电池，以及设计合成新型、高效有机电极材料应用于钠离子电池。截至目前，在材料领域顶级期刊Advanced Materials, Advanced Functional Materials等共发表SCI论文90余篇，他引2000多次，H-index 27。获授权中国发明专利3项。