铝-硫电池！容量保持率达99.7%！上海交通大学付超鹏/梁正/杲祥文，最新AM！

可再生能源的大规模应用受限于其间歇性与不稳定性，亟需低成本、高安全性的储能技术。锂离子电池和锂硫电池面临锂资源短缺、成本攀升与环境问题等制约。相比之下，铝硫电池凭借铝资源丰富、成本低廉、安全性高以及硫正极1675 mAh g⁻¹的理论比容量，成为大规模储能的理想选择。然而，硫正极反应动力学迟缓、充放电过程中体积膨胀严重以及多硫化铝溶解引发的穿梭效应，严重制约了铝硫电池的实际应用。

2026年7月15日，上海交通大学付超鹏研究员、梁正研究员、杲祥文副教授在《Advanced Materials》上发表了题为“Robust Covalent Organic Frameworks Comprising Accessible Catalytic Sites Enable Fast-Charging and Long-Cycling Aluminum-Sulfur Batteries”的研究论文。该工作通过构建二维共价有机框架（COF）作为硫宿主材料，利用其规整的微孔通道和丰富的催化氮位点，实现了对多硫化铝的高效物理限域与化学吸附，显著提升了铝硫电池的反应动力学与循环稳定性。

研究团队采用三元熔盐辅助缩聚策略，以不同长度的有机配体（DCB和DCBP）制备了两种具有不同微孔尺寸的COF材料（COFDCB/KB和COFDCBP/KB）。结构表征显示，COFDCB/KB具有AA堆叠的二维层状结构，孔径约为14.69 Å，而COFDCBP/KB的孔径则为22.38 Å。XPS和FTIR分析证实了三嗪环的成功构建以及丰富的吡啶氮活性位点的存在。通过熔融扩散法将硫负载到COF孔道中后，S@COFDCB/KB复合材料的比表面积从275.6 m² g⁻¹降至93.9 m² g⁻¹，表明硫已成功进入微孔内部。透射电镜和元素面分布显示碳、氮、硫元素在复合材料中均匀分布，证实了COF对硫的良好分散作用。

电化学测试表明，S@COFDCB/KB正极在0.2C电流密度下初始放电容量高达1120.2 mAh g⁻¹，经过100次循环后仍保持1048 mAh g⁻¹，容量保持率达93.5%，远超S@KB（79.9%）和S@COFDCBP/KB（69.35%）。循环伏安曲线显示S@COFDCB/KB具有更大的峰电流密度和更小的电压极化（0.36 V），表明其具有更快的反应动力学。在倍率性能测试中，S@COFDCB/KB在0.2C、0.3C、0.5C、1.0C和2.0C下的放电比容量分别为1066.7、1004.8、914.7、599.6和364.4 mAh g⁻¹，当电流密度回到0.2C时容量恢复至1052 mAh g⁻¹，展现出优异的倍率性能。在高载硫条件下（6.58 mg cm⁻²），该电极在65次循环后仍保持729.3 mAh g⁻¹的容量，保持率高达99.7%。在1C大电流密度下经过1000次循环后，容量保持率达84.12%。

非原位XPS和拉曼光谱分析揭示了硫的逐步还原路径：从S₈逐步转化为短链多硫化物（S₂²⁻、S₆²⁻），最终生成Al₂S₃，充电过程则可完全逆转，证明了优异反应可逆性。分布弛豫时间分析表明，S@COFDCB/KB电极在放电和充电过程中均表现出更快的离子扩散和电荷转移速率。密度泛函理论计算进一步证实，COFDCB对多硫化铝（Al₂S₆、Al₂S₁₂、Al₂S₁₈）具有更强的吸附能力（吸附能分别为-1.89、-2.51、-2.68 eV），远优于KB基底。同时，COFDCB上S₈到Al₂S₃转化的自由能垒显著降低，证明了氮位点的催化作用。

1、通过调控有机配体长度实现COF微孔尺寸的精确设计，较小孔径（14.69 Å）产生更强毛细管力，显著提升对多硫化铝的物理限域效果。

2、COF骨架中丰富的吡啶氮活性位点通过化学吸附锚定多硫化铝，并将S₈到Al₂S₃的转化能垒大幅提升，加速多步反应动力学。

3、S@COFDCB/KB正极在0.2C下实现1120.2 mAh g⁻¹高容量和93.5%容量保持率，高载硫下保持99.7%容量，大电流下1000次循环保持率84.12%。

图1 相表征

图2 硫复合材料的表征

图3 电化学性能

图4 反应机理鉴定

图5 理论计算

本研究通过在铝硫电池中构建二维COF硫宿主材料，实现了物理限域与化学催化的协同增效。COFDCB的较小微孔通过强毛细管力有效抑制多硫化铝穿梭，而丰富的吡啶氮活性位点则显著降低了多硫化物转化的能垒，加速了反应动力学。得益于此，S@COFDCB/KB正极在0.2C下实现了1120.2 mAh g⁻¹的高可逆容量和93.5%的百圈容量保持率，在6.58 mg cm⁻²高载硫下仍保持99.7%的超高容量保持率。多尺度表征与理论计算揭示了氮位点催化多硫化物转化的微观机制，以及其在平衡Al³⁺传输动力学与多硫化物限域中的关键作用。该工作为COF材料在铝硫电池中的理性设计提供了新思路，对推动高能量密度、长循环寿命铝硫电池的发展具有重要意义。

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.74063

文章来源：新能源前沿