近日，亥姆霍兹柏林中心和柏林工业大学开发出一种基于多孔聚合物结构(自由基阳离子共价有机骨架，简称COF)的新材料，可提高锂硫(Li-S)电池性能。

该研究将COF描述为一种新型“结晶有机聚合物”，具有高孔隙率、可定制结构、低密度和化学稳定性等特征。新材料使电池性能显著提升，可持续使用超过1500次循环。若得以应用，可提高下一代锂硫电池的容量和稳定性。

锂硫电池因高能量容量前景光明，有望在未来取代锂离子电池。硫成本低且储量丰富，使锂硫电池成为经济高效且更安全的选择，可减少对环境的影响。然而，充电和放电循环过程中会形成多硫化物这一副产品，其溶解并迁移会降低电池性能、缩短使用寿命，这阻碍了锂硫电池的广泛应用。

新开发的COF材料通过主动捕获和重新利用多硫化物解决了这一问题。与之前的尝试相比，这种新的COF结合了特定的“自由基”(具有不成对电子的分子)，可作为微小催化剂，这些自由基基于一种称为四硫富瓦烯(TTF)单元的有机硫化合物。自由基使新开发的COF材料(名为R-TTF•+-COF)的孔隙内发生高效化学反应，有效捕获多硫化物并将其转化回可用的硫，防止多硫化物缩短电池寿命。

研究人员在9月15日的新闻稿中解释，该材料由四硫富瓦烯单元([TTF]2•+)和三硫化物自由基阴离子(S3•-)通过苯并噻唑(R-TTF•+-COF)连接而成，显著提高了COF的催化活性和电导率。

研究团队通过一系列实验分析阐明了该材料的机制，包括固态核磁共振(ssNMR)光谱、电子自旋共振(EPR)光谱和理论计算。该材料通过将多硫化物转化为可用的硫来再生电池，直接对抗锂硫电池的退化问题。博士生Sijia Cao从技术角度解释，自由基阳离子[TTF]2•+充当催化中心，结合LiPS并促进S-S键的延伸和断裂。

结果表明，新材料提高了锂硫电池的性能，使其能够持续使用超过1500次，每次循环的容量损失仅为0.027%，这种耐用性超过了电池典型的1000次循环极限，是以前类似的有机催化剂无法达到的。

该研究的作者Yan Lu表示，将这种激进的支架结构整合到锂硫电池中显示出巨大前景。这一发展可促进电动汽车和电动飞机等各种技术的可持续能源存储。研究小组认为，通过定制激进结构，还有更大的改进空间。该研究结果发表在《美国化学会志》上。