新型石墨烯界面让锂硫电池循环寿命突破1000次-新型四硫富瓦烯-冠醚共价有机框架材料（COF）TUS-44

"科学家突破锂硫电池瓶颈：新型石墨烯-COF界面让电池寿命延长10倍，能量密度高达1455.7 mAh/g。这项技术通过化学捕获多硫化物而非简单阻挡，实现了超1000次循环仅0.034%的衰减率，软包电池能量密度达674 Wh/kg，为下一代储能技术铺平道路。"

研究人员开发出一种石墨烯-COF界面，可大幅提升锂硫电池的寿命和能量密度。

该研究发表于期刊《Small》。

DOI： 10.1002/smll.74240

来源：

COF-石墨烯复合材料为锂硫电池开辟了新前景

这项研究是由日本东北大学（Tohoku University）主导，而材料代号中的 “TUS” 则代表其核心合作机构——东京理科大学（Tokyo University of Science）。两所高校联合攻关，才诞生了这种被称为TUS-44的新型分子的共价有机框架材料。

为什么叫 TUS-44？

在分子工程中，它是一种全新设计的四硫富瓦烯-冠醚基共价有机框架（Covalent Organic Framework, 简称 COF）。TUS 代表东京理科大学的团队主导了其分子骨架的化学合成与精确剪裁，44 是该系列特定结构的代号。

它是如何精确拦截“穿梭效应”的？

传统的碳材料捕获多硫化物就像“瞎子摸象”，缺乏特异性。而TUS-44被称为“分子编程界面”：

• 多位点协同锚定：它的骨架中同时集成了亚胺氮、冠醚氧以及富硫的四硫富瓦烯三种化学位点。这三种位点就像三只手，能从不同化学键维度把溶解的多硫化锂牢牢抓住。

• 从“被动阻挡”到“主动催化”：它不仅仅是像筛子一样挡住多硫化物，更重要的是，它能加速多硫化物向固体固态锂硫产物（$\text{Li}_2\text{S}_2/\text{Li}_2\text{S}$）的电化学转化，让有害物质迅速变成有用的电极活性物质。

石墨烯（Graphene）在里面起什么作用？

COF 材料虽然孔隙均匀、抓取力强，但它本身的导电性较差。研究团队将 TUS-44 与高导电性的石墨烯复合，构筑了一个特殊的涂层（命名为TUS-44@G界面层），涂覆在电池隔膜上：

• COF 负责“抓取并就地转化”多硫化物。

• 石墨烯负责构筑超快“电子高速公路”，为转化反应源源不断地提供电子。

最终带来的性能突破

在实际电池测试中，装备了 TUS-44@G 界面层的锂硫电池表现出了极其惊艳的耐久性：

• 超长寿命：在大电流下循环充放电1000次，每循环一次的容量衰减率仅为0.034%。

• 大尺寸软包电池验证：该技术成功放大应用到了实际的软包电池（Pouch cell）上，在极高的硫负载量下，实现了高达674 Wh kg⁻¹的初始能量密度。

这一成果通过两所“东北”与“理科”顶尖名校的强强联合，为轻质、高能量密度、长寿命的长循环锂硫电池产业化铺平了道路。

实验室纽扣电池可逆容量 ：在电池测试中，配备TUS-44@G层的电池在0.2 A g⁻¹的电流密度下展现出1455.7 mA h g⁻¹的高可逆容量，在10 A g⁻¹的电流密度下保持了773 mA h g⁻¹的优异倍率性能，并在5 A g⁻¹的电流密度下循环1000次后，容量衰减率仅为0.034%，表现出良好的长期稳定性。采用相同中间层的锂硫软包电池在 0.05 A g⁻¹ 电流密度下实现了约 674 Wh kg⁻¹ 的初始能量密度，证明了这种分子工程界面在实用高能量电池方面的潜力。

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