【儀表網 研發快訊】為實現生態友好、規模化、高效儲能系統的發展目標，鎂硫(Mg-S)電池因其優異的體積能量密度(3221 Wh L-1)、高安全性以及資源豐富成本低廉等優勢，已成為具吸引力的電池體系之一。然而，其循環壽命受限于緩慢的界面Mg²?去溶劑化過程和遲滯的硫氧化還原反應。傳統方法通常通過電解質工程調控溶劑化結構以加速去溶劑化動力學，但往往伴隨電解質黏度增加、離子傳輸速率降低及腐蝕性增強等問題。中國科學院蘇州納米所藺洪振團隊與卡爾斯魯厄理工學院王健博士提出了“電化學催化去溶劑化”策略研究，結合前期鎂/鋰/鋅電池的相關研究基礎(Energy Environ. Sci.,2024,17,3765-3775; Adv. Mater. 2023,35,2302828;Adv. Funct. Mater. 2023,2302624;ACS Nano 2023,17,2,1653;Adv. Funct. Mater. 2023,2212499; InfoMat. 2024,6,e12558; Adv. Mater. 2025,2501079;Nano Lett. 2025,25,3756-3765;Adv. Mater. 2024,2402792;Adv. Sci. 2024,2401629)，提出催化新策略，采用典型金屬有機框架材料MIL-101(Cr)作為界面促進劑，在不影響液相電解質性能的前提下，同時實現快速的Mg²?去溶劑化與硫轉化反應。
 

　　針對鎂硫電池中的離子去溶劑化及多硫化物轉化緩慢的問題，中國科學院蘇州納米所藺洪振研究員聯合德國卡爾斯魯厄理工學院王健博士，提出了一種多級孔結構的催化型MIL101-GF材料，通過調控Mg²?溶劑化結構有效促進了鎂離子擴散、去溶劑化及氧化還原反應，從而顯著提升了硫反應動力學。得益于MIL101-GF的結構特性，該材料能夠高效促進Mg(solvents)x²?中自由Mg²?的釋放，并加速硫的氧化還原轉化過程。通過光譜測試、電化學分析及理論模擬，系統研究了MIL101-GF在抑制多硫化物穿梭、增強鎂離子遷移、加速去溶劑化及催化多硫化物轉化等方面的關鍵作用機制。
 

　　在MIL-101(Cr)上MgCl2(THF)2的脫溶過程比在純碳上的脫溶過程具有更低的勢壘，說明MIL-101(Cr)與MgCl2(THF)2的相互作用更弱，更有利于解離形成自由的Mg²?。硫化物在MIL-101(Cr)表面的吸附能高，具有親硫效應。對于MIL-101(Cr)， O原子和Mg原子的電子軌道之間存在明顯的雜化，這與COHP的結果一致，即電子完全占據了O-Mg鍵的成鍵態，表明了強相互作用，證明了MIL-101(Cr)在加速去溶劑化和多硫化物轉化方面的具有優越的催化效果。
 

圖1. 密度泛函理論(DFT)模擬MIL-101(Cr)的催化作用
 

　　MIL-101(Cr)促進Mg(solvents)x²?結構解離釋放大量游離Mg²?，通過強物理/化學吸附有效限制多硫化物的穿梭，連續導電層以其獨特的分層多孔結構和豐富的活性位點快速傳導電子，在電極/電解質界面高效轉化多硫化物。構建了原位界面和頻光譜(SFG)揭示了催化劑能加速MgCl(THF)x+結構的解離，并在界面處釋放大量游離Mg²?，表明MIL-101(Cr)促進MgCl(THF)x+解離并顯著改善離子擴散和輸運動力學。為了進一步研究MIL-101(Cr)的電催化活性，進行了多硫化物吸附、多硫化物轉化和MgS沉積實驗，從對稱電池和全電池的循環伏安分析其氧化還原可逆性及其催化活性，表明MIL101-GF在電池中可以加速離子傳輸，更多的多硫化物被轉化。
 

圖2. MIL101-GF的制備示意圖及界面催化去溶劑化與硫質轉化動力學研究
 

　　MIL101-GF的催化作用在倍率和循環性能上也得到了驗證。采用MIL101-GF的Mg-S電池在0.5 C條件下可在250次循環中保持974 mA h g-1的高放電比容量，在2 C條件下可達到694 mA h g-1的高倍率性能，有效延長了電池的使用壽命。此外，將面載量提高到6.4 mg cm-2，在0.1 C下循環70次后電池容量保持率高達77%(高面容量為2.90 mA h cm-2)，為MIL101-GF在實際的高性能鎂硫電池中的應用提供了參考。
 

圖3. MIL101-GF催化Mg-S電池電化學性能
 

　　為了更深入地了解MIL101-GF的催化機理，分別進行了飛行時間二次離子質譜(TOF-SIMS)、SEM和原位拉曼測試。循環后的TOF-SIMS圖像表明，在MIL101-GF的作用下，只有少量的MgS且能夠均勻分散，SEM中Mg負極光滑且表面硫含量較低，說明大部分多硫化物在MIL101-GF的作用下轉化。原位拉曼結果進一步表明，MIL101-GF能夠抑制多硫化物的穿梭，促進多硫化物的催化轉化。具有多級孔結構的MIL101-GF通過孔篩選，可以有效催化大Mg(solvents)x²?團簇的解離，迅速形成游離的Mg²?，進而參與后續的硫/硫化物轉化。首先，MIL101-GF對多硫化物起物理屏障作用，在一定程度上抑制了穿梭效應。其次，MIL101-GF具有電催化和虹吸功能，通過隔膜將大量的游離Mg²?釋放到正極/電解質表面。最后，均勻分散且豐富的活性位點與固定的多硫化物和界面處大量的游離Mg²?結合，使得多硫化物快速轉化，MIL101-GF上均勻的導電結構有利于快速的電子傳導，最終催化Mg-S電池中硫/硫化物的轉化。
 

圖4. STAR@LCNC循環中/后的催化機理分析
 

　　以上論文成果的通訊作者為王健博士和藺洪振研究員，第一作者為中國科學院蘇州納米所博士生關青華，論文以Accelerated Kinetics of Desolvation and Redox Transformation Enabled by MOF Sieving for High-Loading Mg-S Battery為題，發表在Advanced Functional Materials期刊中。以上聯合工作受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國博士后科學基金、江蘇省自然科學基金、江蘇省重點研發計劃、工程電介質及其應用重點實驗室開放基金及德國洪堡基金等支持，受到了中國科學院蘇州納米所Nano-X的表征技術支持。