【仪表网 研发快讯】为实现生态友好、规模化、高效储能系统的发展目标，镁硫(Mg-S)电池因其优异的体积能量密度(3221 Wh L-1)、高安全性以及资源丰富成本低廉等优势，已成为具吸引力的电池体系之一。然而，其循环寿命受限于缓慢的界面Mg²⁺去溶剂化过程和迟滞的硫氧化还原反应。传统方法通常通过电解质工程调控溶剂化结构以加速去溶剂化动力学，但往往伴随电解质黏度增加、离子传输速率降低及腐蚀性增强等问题。中国科学院苏州纳米所蔺洪振团队与卡尔斯鲁厄理工学院王健博士提出了“电化学催化去溶剂化”策略研究，结合前期镁/锂/锌电池的相关研究基础(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，采用典型金属有机框架材料MIL-101(Cr)作为界面促进剂，在不影响液相电解质性能的前提下，同时实现快速的Mg²⁺去溶剂化与硫转化反应。
针对镁硫电池中的离子去溶剂化及多硫化物转化缓慢的问题，中国科学院苏州纳米所蔺洪振研究员联合德国卡尔斯鲁厄理工学院王健博士，提出了一种多级孔结构的催化型MIL101-GF材料，通过调控Mg²⁺溶剂化结构有效促进了镁离子扩散、去溶剂化及氧化还原反应，从而显著提升了硫反应动力学。得益于MIL101-GF的结构特性，该材料能够高效促进Mg(solvents)x²⁺中自由Mg²⁺的释放，并加速硫的氧化还原转化过程。通过光谱测试、电化学分析及理论模拟，系统研究了MIL101-GF在抑制多硫化物穿梭、增强镁离子迁移、加速去溶剂化及催化多硫化物转化等方面的关键作用机制。
在MIL-101(Cr)上MgCl2(THF)2的脱溶过程比在纯碳上的脱溶过程具有更低的势垒，说明MIL-101(Cr)与MgCl2(THF)2的相互作用更弱，更有利于解离形成自由的Mg²⁺。硫化物在MIL-101(Cr)表面的吸附能高，具有亲硫效应。对于MIL-101(Cr)， O原子和Mg原子的电子轨道之间存在明显的杂化，这与COHP的结果一致，即电子完全占据了O-Mg键的成键态，表明了强相互作用，证明了MIL-101(Cr)在加速去溶剂化和多硫化物转化方面的具有优越的催化效果。
图1. 密度泛函理论(DFT)模拟MIL-101(Cr)的催化作用
MIL-101(Cr)促进Mg(solvents)x²⁺结构解离释放大量游离Mg²⁺，通过强物理/化学吸附有效限制多硫化物的穿梭，连续导电层以其独特的分层多孔结构和丰富的活性位点快速传导电子，在电极/电解质界面高效转化多硫化物。构建了原位界面和频光谱(SFG)揭示了催化剂能加速MgCl(THF)x+结构的解离，并在界面处释放大量游离Mg²⁺，表明MIL-101(Cr)促进MgCl(THF)x+解离并显著改善离子扩散和输运动力学。为了进一步研究MIL-101(Cr)的电催化活性，进行了多硫化物吸附、多硫化物转化和MgS沉积实验，从对称电池和全电池的循环伏安分析其氧化还原可逆性及其催化活性，表明MIL101-GF在电池中可以加速离子传输，更多的多硫化物被转化。
图2. MIL101-GF的制备示意图及界面催化去溶剂化与硫质转化动力学研究
MIL101-GF的催化作用在倍率和循环性能上也得到了验证。采用MIL101-GF的Mg-S电池在0.5 C条件下可在250次循环中保持974 mA h g-1的高放电比容量，在2 C条件下可达到694 mA h g-1的高倍率性能，有效延长了电池的使用寿命。此外，将面载量提高到6.4 mg cm-2，在0.1 C下循环70次后电池容量保持率高达77%(高面容量为2.90 mA h cm-2)，为MIL101-GF在实际的高性能镁硫电池中的应用提供了参考。
图3. MIL101-GF催化Mg-S电池电化学性能
为了更深入地了解MIL101-GF的催化机理，分别进行了飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)、SEM和原位拉曼测试。循环后的TOF-SIMS图像表明，在MIL101-GF的作用下，只有少量的MgS且能够均匀分散，SEM中Mg负极光滑且表面硫含量较低，说明大部分多硫化物在MIL101-GF的作用下转化。原位拉曼结果进一步表明，MIL101-GF能够抑制多硫化物的穿梭，促进多硫化物的催化转化。具有多级孔结构的MIL101-GF通过孔筛选，可以有效催化大Mg(solvents)x²⁺团簇的解离，迅速形成游离的Mg²⁺，进而参与后续的硫/硫化物转化。首先，MIL101-GF对多硫化物起物理屏障作用，在一定程度上抑制了穿梭效应。其次，MIL101-GF具有电催化和虹吸功能，通过隔膜将大量的游离Mg²⁺释放到正极/电解质表面。最后，均匀分散且丰富的活性位点与固定的多硫化物和界面处大量的游离Mg²⁺结合，使得多硫化物快速转化，MIL101-GF上均匀的导电结构有利于快速的电子传导，最终催化Mg-S电池中硫/硫化物的转化。
图4. STAR@LCNC循环中/后的催化机理分析
以上论文成果的通讯作者为王健博士和蔺洪振研究员，第一作者为中国科学院苏州纳米所博士生关青华，论文以Accelerated Kinetics of Desolvation and Redox Transformation Enabled by MOF Sieving for High-Loading Mg-S Battery为题，发表在Advanced Functional Materials期刊中。以上联合工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省重点研发计划、工程电介质及其应用重点实验室开放基金及德国洪堡基金等支持，受到了中国科学院苏州纳米所Nano-X的表征技术支持。
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