【摘 要】
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锂硫电池是新一代高能量密度、环境友好、安全价廉的电池体系。金属有机框架（MOFs）及其衍生材料因高比表面,强锚定作用和高催化活性被广泛用于锂硫电池以限制其“穿梭效应”。本文针对典型MOFs材料ZIF-8,ZIF-67和MOF-5以及MOFs衍生钴基碳化物Co2C和Co3C在锂硫电池中的应用,探究了MOFs材料基于锚定作用抑制穿梭效应的机理以及MOFs衍生Co2C和Co3C基于锚定和催化作用应用于锂
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锂硫电池是新一代高能量密度、环境友好、安全价廉的电池体系。金属有机框架（MOFs）及其衍生材料因高比表面,强锚定作用和高催化活性被广泛用于锂硫电池以限制其“穿梭效应”。本文针对典型MOFs材料ZIF-8,ZIF-67和MOF-5以及MOFs衍生钴基碳化物Co2C和Co3C在锂硫电池中的应用,探究了MOFs材料基于锚定作用抑制穿梭效应的机理以及MOFs衍生Co2C和Co3C基于锚定和催化作用应用于锂硫电池的潜在可能性。全文基于理论计算方法开展研究,主要取得以下研究结果:1)ZIF-8,ZIF-67和MOF-5是三种应用于锂硫电池正极和隔膜的典型MOFs材料,揭示它们对于多硫化物的锚定效应的规律有助于开发新型MOFs材料。本文计算了三种MOFs材料对于多硫化物的吸附能和电荷转移等性质。基于ZIF-8和ZIF-67的对比,发现不同的金属中心通过改变配体上与多硫化物分子成键原子的电荷密度,间接影响吸附效果。基于ZIF-8和MOF-5的对比发现有机配体通过原子电负性和三维骨架结构两个方面影响多硫化物成键强弱和成键数量,从而直接影响吸附能力。基于此总结具有低电负性金属中心,高电负性配体杂原子和足够的配体骨架空间的MOFs材料具备优异的吸附效果。2)MOFs衍生钴基碳化物Co2C和Co3C已被证实在电催化领域具备优异表现。以在锂硫电池中具备优异性能表现的单原子催化材料Co-N4-C作为对比,从电子/离子传输能力、多硫化物吸附和转化能力等角度探索MOFs衍生Co2C和Co3C作为锂硫电池高效催化剂的应用潜力。能带结构和锂离子迁移动力学计算结果表明三者均具备优异的电子和离子传输能力。多硫化物吸附结果显示Co2C和Co3C相比于Co-N4-C均具有更强的吸附能力。充放电过程自由能变化结果表明Co2C相比于Co3C和Co-N4-C具有最低的充电过电势,具备更优的催化能力,可实现多硫化物高效转化。基于此,MOFs衍生钴基碳化物Co2C具备优异的电子/离子传输能力以及多硫化物吸附和转化能力,是锂硫电池中具有应用潜力的催化材料。
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