锂硫电池因其超高能量密度（2600 Wh/kg）和低成本硫正极被视为下一代储能技术，但锂枝晶生长和多硫化物穿梭效应严重制约实用化进程。添加中间层可同时抑制锂枝晶和穿梭效应。金属有机骨架（MOFs）材料中丰富的通道可以促进离子的均匀扩散，金属活性位点可以吸附并促进多硫化物转化为硫化锂。将MOFs与纤维复合作为中间层既可以防止颗粒团聚也能提升导电性，但MOFs/纤维基中间层的性能受负载量和金属活性物质的分散性影响。过高的MOF负载会导致颗粒团聚，阻塞离子传输通道；而较低的负载量则会降低活性位点的密度。因此，建立MOF负载量与复合材料电化学性能之间的定量关系，是优化多功能中间层设计的关键问题。

近日，中国科学院山西煤化所宋燕研究员团队在《Chemical Engineering Journal》上发表了最新的研究成果“Dose-effect of ZIF-67-derived Co, N sites in carbon fibers: Optimizing Lithium deposition uniformity and Lithium sulfide precipitation capacity”， 提出利用静电纺丝+炭化策略，通过调控ZIF-67与PAN前驱体比例（30%-90%），制备出含有钴纳米颗粒与吡啶氮的柔性纳米碳纤维（Co, N@CFs）无纺布。钴纳米颗粒催化多硫化物转化为Li2S；吡啶氮通过Li-N强配位均化锂离子流；三维导电网络加速电子转移。无纺布的无粘结剂自支撑结构避免传统粉末催化剂界面电阻问题。中国科学院山西煤化所博士研究生巩向杰为论文第一作者。此研究得到国家自然科学基金等项目的资助。

Co，N@CFs的制备过程如图1a所示。室温下合成的ZIF-67纳米颗粒与聚丙烯腈（PAN）的二甲基甲酰胺（DMF）溶液共混并经静电纺丝、预氧化、炭化后制得Co，N@CFs。由图1（b-d）可知：嵌入纤维基体内的金属颗粒密度随ZIF-67含量增加而增大，在Co，N@CFs（1：0.9）样品中达到最大，其中每根纤维都被颗粒均匀装饰。这种独特的结构有利于硫化锂的均匀沉积，能够抑制锂枝晶的形成。

图1. Co、N@CFs形貌分析。

对锂对称电池进行了长循环测试。结果表明：Li/Li对称电池在1 mA/cm²下循环2500小时， Co，N@CFs（1：0.9）作为中间层的样品过电位稳定于30 mV（图2d），且原位光学显微镜证实在Co，N@CFs（1：0.9）样品上实现了无枝晶锂沉积（图3d）。

图2. 锂锂对称电池稳定性实验结果。

图3. 原位显微观察锂枝晶结果。

验证了钴氮共掺杂碳纤维（Co, N@CFs）在硫还原过程中对硫化锂成核的催化效果，结果表明Co, N@CFs（1:0.9）样品对 Li2S6 的催化性能最高。硫化锂的沉积实验中Li2S成核容量达171.85 mAh/g（图4c），原位XRD显示其Li2S特征峰强度最高（图4f）。

图4. Co、N@CFs催化硫化锂成核表征。

2C下循环1000次后Co,N@CFs中间层的形貌，如图5（a-c）所示。结果表明在Co，N@CFs（1：0.9）样品上均匀沉积着硫化锂。这促进了硫的高效再生，增强了长循环稳定性。锂电极镀锂剥离2500 h后的形貌如图5（d-f）所示。结果表明Co，N@CFs （1：0.9） 电池中的锂沉积表面最光滑，裂纹最少，表明该中间层促进了小而致密的锂沉积颗粒的形成，并在长时间循环过程中保持稳定性。3.5 mg/cm2 高负载下的Co，N@CFs（1：0.9）作为中间层的电池在低浓度电解质条件下的循环性能如图5（g）所示，表明样品即使在高硫负荷下电池也具有较好的循环稳定性。

图5. 循环后Co，N@CFs中间层、锂片形貌及高负载电化学性能。

DOI：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.166768

人物简介：

宋燕，中国科学院山西煤炭化学研究所研究员，博导，炭材料山西省重点实验室主任。研究领域：功能炭材料。省学术技术带头人，省科技创新领军人才，中国科学院青年创新促进会会员。任《新型炭材料》、《Nanomaterials》、《炭素》、《Science Journal of Chemistry》等期刊编委，全国材料与器件科学家智库能源材料与器件专委会及碳材料专委会常务委员、山西省化工学会炭材料专委会主任委员。曾获中国科学院卢嘉锡青年人才奖、省国防科技工业科技创新一等奖、省自然科学二等奖；获授权国家发明专利19项；在材料化工主流学术刊物上发表研究论文一百七十余篇；多次受邀在重要国际/国内会议上作学术报告；培养了和正在培养硕、博士研究生多名。