复旦大学&温州大学Small：有序纳米石墨笼封装MoS2实现锂-硫电池多硫化物高效捕获与转化

第一作者：郜一帆

通讯作者：王亚军，杨东，李同涛，董安钢

单位：复旦大学，温州大学

锂硫电池作为下一代储能系统之一，以其高理论容量、高能量密度和高性价比备受瞩目。然而，锂硫电池在实际应用中面临着多硫化物穿梭效应的挑战。多硫化物会溶解在电解液中并迁移到锂负极，降低了硫的利用率，导致电池容量损失和循环性能下降。此外，锂枝晶的不可控生长也限制了锂硫电池的使用寿命。

近日，来自复旦大学的董安钢研究员、杨东教授与李同涛研究员团队联合温州大学王亚军教授团队，在Small上发表题为“Encasing Few-Layer MoS₂within 2D Ordered CubicGraphitic Cages to Smooth Trapping-Conversion of Lithium Polysulfides for Dendrite-Free Lithium–Sulfur Batteries”的观点文章。该观点文章采用了一种由自组装纳米晶体超晶格形成的单层互连立方笼构建的二维介孔类石墨烯框架（MGF），并将其作为支撑骨架用于外延生长富含硫空位的MoS₂层（MoS₂@MGF）。MoS₂@MGF中间层的引入不仅有效地捕获了多硫化锂（LiPSs），减轻了穿梭效应，还抑制了锂枝晶的生长，延长了电池的使用寿命。

穿梭效应是指LiPSs在充放电过程中反复迁移于电池的正负极之间，导致可溶性的LiPSs在电极表面积累，并形成不可逆的Li₂S钝化层。这种钝化层的形成限制了电荷传输和离子扩散，从而降低了电池的性能和循环稳定性。为了解决这个问题，制备了MoS₂@MGF中间层。该中间层具有丰富的硫空位，可以将LiPSs物理限制在立方笼中，进一步促进了后续的吸附、扩散和转化过程。此外，MGF具有高电导率和优越的离子传输性能，可以降低MoS₂@MGF上硫还原反应的成核能垒，从而增强其对LiPSs的催化活性。

由于商业化的聚丙烯隔膜具有低孔隙率和宽孔径分布，对离子传输的调控效果不佳，这导致锂离子通量不均匀，并且无法有效控制锂沉积。特别是在高电流密度下，这个问题变得更加突出，因为锂负极会形成密集而尖锐的锂枝晶。然而，通过使用MoS₂@MGF中间层，锂离子可以在二维有序立方状石墨笼中均匀地扩散，有效抑制锂枝晶的生长。这种中间层的引入能够改善离子传输，并提高电池的稳定性和循环寿命。

MoS₂@MGF中间层的引入不仅有效地捕获了LiPSs，减弱其穿梭效应，还抑制了锂枝晶的生长，延长了电池的使用寿命。这项创新研究使锂硫电池的性能得到了显著的提升，例如高容量（在5 C可达608 mAh g^-1）和优异的循环稳定性（1 C下经过2000次循环后，每圈循环仅衰减0.026%）。这项工作为二维介孔MoS₂基异质结构的设计提供了宝贵的见解，尤其是在能量存储和转换领域具有巨大的应用潜力。

Encasing Few-Layer MoS₂within 2D Ordered Cubic Graphitic Cages to Smooth Trapping-Conversion of Lithium Polysulfides for Dendrite-Free Lithium–Sulfur Batteries

王亚军，温州大学教授，博士生导师。主要从事多孔材料的合成及有机/无机复合功能材料的组装及在吸附分离、仿生催化、传感检测及药物递送等领域的功能化应用研究。在Angew Chem Int、Adv Mater、Adv Funct Mater、Chem Mater、Small、Nano Lett、等SCIE期刊发表论文80余篇。

杨东，复旦大学教授，博士生导师。主要从事功能高分子合成、纳米材料的功能化改性及其在锂离子动力电池方面的应用研究。以通讯作者在Nat. Commun.、J. Am. Chem.Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano等期刊上发表论文60余篇。

李同涛，复旦大学青年研究员，博士生导师。围绕分子纳米组装技术的开发、新型复杂超晶格的可控制备及其在光电化学中的应用等方面开展研究工作。以通讯作者或第一作者发表研究论文20余篇，包括Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter、Adv. Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano等。

董安钢，复旦大学研究员，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。以通讯作者在Nature、Nat. Commun.、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等发表论文70余篇。研究兴趣包括：纳米晶体自组装化学；功能超晶体材料理性设计与组装合成；超晶体及碳基衍生材料在储能、催化等领域中的应用。