多硫化物在硫正极中的约束是消除金属硫电池梭形效应的关键，是大规模、可持续储能的解决方案。然而，对多硫化物约束机理的探索和深入认识还很有限。因此，实现高稳定的金属硫电池是一个关键的挑战。

在此，来自华南理工大学的Haihui Wang和天津大学&澳大利亚阿德莱德大学的Shi-Zhang Qiao等研究人员基于二维金属有机骨架(2D MOF)，提出了一种实现多硫化物有效约束的新机制。相关论文以题为“Electron‐State Confinement of Polysulfides for Highly StableSodium–Sulfur Batteries”于2月14日发表在Advanced Materials上。

论文连接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201907557

硫作为一种极具发展前景的电极材料，具有成本低、理论比容量高的优点。此外，在能量密度为350W h kg-1的金属硫电池中，硫正极可以与一系列金属负极结合(基于器件)。这为实际的储能应用带来了希望。然而，金属硫电池的一个主要缺点是梭形效应。这是由于中间金属多硫化物的溶解度，以及多硫化物和金属正极之间的副反应。这导致金属硫电池降低库仑效率(CE)和快速的容量衰减。室温钠硫(RT Na-S)电池与其他金属硫电池相比，成本更低。但由于钠的高反应活性，其实际应用受到梭形效应的严重影响。因此，聚硫化物在硫正极中的限制对金属硫电池的长期稳定性和实际应用至关重要。

研究者们报告了一种基于2D金属有机框架(2D MOF)的多硫化物约束的新机制。以MOF为模型，结合原位同步X射线衍射(XRD)、电化学测试以及DFT计算的多种组合技术，研究者证明了在放电/充电过程中，Ni中心的动态电子状态能够调节多硫化物与MOF之间的相互作用，因而促进多硫化物强吸附和多硫化物快速转化动力学。DFT计算表明，高氧化还原能力的Ni中心似乎是由Ni- MOF-2d的电荷重分布引起的。因此，Ni-MOF-2D对NaPoSs吸附和转化动力学的增强显著提高了放电容量及其保持能力。

相比之下，Ni-MOF-bulk受到NaPoSs的约束较为微弱。态密度分析显示，Ni-MOF-2D具有半导体性质，与硫正极中报道的MOF相比，能隙更小，为0.56 eV。Ni-MOF-2D的半导体特性被认为是Ni中心和连接体之间电子转移增强的原因。这些结果表明，S/Ni-MOF-2D的Ni中心在充放电过程中呈现出动态电子态，从而引发了调整Na(聚硫)-N/S(Ni MOF)之间相互作用。因此，在S/Ni-MOF-2D上可以实现强聚硫化物吸附和快速的聚硫化物转化动力学，促进高效的聚硫化物约束。

图1 Ni-MOF 2D纳米片的结构表征和电子态分析图

图 2 RT Na-S电池中S/Ni-MOF-2D的电化学性能。

图 3 Ni-MOF-2D和Na2S5之间的电子转移分析

图 4 NaPoSs在Ni-MOF-2D上约束的理论计算研究。

作者的工作证明了一种新的机制，有效的多硫化物约束在二维Ni (II) MOF以及机制的化学来源。合成的硫正极的电化学性能优于RT Na-S电池中所有的硫正极材料。这是首次研究报道了硫正极材料的局部电子态与促进多硫化物转化动力学之间的关系。研究结果为解决金属硫电池的梭形效应提供了一种实用的方法，并对高稳定性金属硫电池的硫正极材料设计具有指导意义。