Университет Тохоку разработал гибридный материал COF-графен для повышения производительности литий-серных аккумуляторов

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа из Университета Тохоку (Tohoku University) и его партнёрских организаций разработала новый молекулярный инженерный материал, направленный на решение давней проблемы эффекта «челнока» полисульфидов в литий-серных аккумуляторах, что приближает коммерциализацию этой технологии.

Литий-серные аккумуляторы обладают высокой теоретической плотностью энергии и низкой стоимостью, однако в процессе работы растворимый полисульфид лития мигрирует из серного катода на литиевый анод, что приводит к потере активного материала, побочным реакциям, саморазряду и быстрому снижению ёмкости. Этот эффект «челнока» обусловлен собственной химической реакцией, а предыдущие попытки создания физических барьеров часто ухудшали характеристики батареи.

Для решения этой проблемы команда создала ковалентную органическую структуру (COF) на основе тетратиафульвалена и краун-эфира, названную TUS-44, и объединила её с проводящим графеном, сформировав функциональный слой TUS-44@G. Эта структура содержит иминовые азотные, краун-эфирные кислородные и богатые серой тетратиафульваленовые участки, обеспечивая иерархические места взаимодействия с полисульфидом лития, а графеновый компонент обеспечивает эффективный путь переноса электронов. Целью команды было создание промежуточного слоя, который не только блокирует полисульфиды, но и активно управляет их реакционными путями.

В испытаниях аккумуляторов батареи со слоем TUS-44@G продемонстрировали высокую обратимую ёмкость, достигнув 1455,7 мАч·г⁻¹ при плотности тока 0,2 А·г⁻¹, сохраняя 773 мАч·г⁻¹ при 10 А·г⁻¹, а после 1000 циклов при 5 А·г⁻¹ снижение ёмкости составило всего 0,034% за цикл. Литий-серные мягкие батареи с тем же промежуточным слоем показали начальную плотность энергии около 674 Втч·кг⁻¹ при 0,05 А·г⁻¹.

Исследователи отмечают, что COF-материалы могут быть построены с молекулярной точностью, а их периодически расположенные поры программируемо контролируют размер, химическую среду и электронные свойства, что позволяет одновременно захватывать, проводить и катализировать серные частицы. Доцент Института многопрофильных исследований передовых материалов Университета Тохоку (Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials) Саикат Дас (Saikat Das) пояснил, что целью команды было создание промежуточного слоя, активно управляющего реакционными путями полисульфидов. Профессор Университета Тохоку Юити Нэгиси (Yuichi Negishi) отметил, что это исследование демонстрирует потенциал ретикулярной химии (reticular chemistry) для программирования интерфейсов батарей на молекулярном уровне, а конструкция TUS-44@G, объединяя фиксацию полисульфидов и каталитическое превращение серы, открывает путь к лёгким, долговечным и высокоскоростным литий-серным аккумуляторам.