摘要：镁-硫电池因其高能量密度（1684 Wh·kg-1和3221 Wh·L-1）、环境友好和高安全性被认为是下一代电池技术的重要研究方向。然而研究表明，溶解至电解液中的硫和多硫化物在负极逐步还原，造成活性物质损失和负极界面阻抗升高。并且，当电池放大至软包结构时，界

【文章信息】

利用富氮掺杂纳米多孔碳探索构筑高性能镁硫软包电池

第一作者：姚赢赢

通讯作者：邹建新、Richard Laine、杨亚、符靓

第一单位：上海交通大学

【研究背景】

镁-硫电池因其高能量密度（1684 Wh·kg-1和3221 Wh·L-1）、环境友好和高安全性被认为是下一代电池技术的重要研究方向。然而研究表明，溶解至电解液中的硫和多硫化物在负极逐步还原，造成活性物质损失和负极界面阻抗升高。并且，当电池放大至软包结构时，界面物质传输受限加剧反应异质性，引发局部过电位升高。

【文章简介】

近日，上海交通大学邹建新教授联合密西根大学Richard M. Laine教授等在国际知名期刊Journal of Magnesium and Alloys上发表题为“Exploring high-performance magnesium-sulfur pouch cells using nitrogen-rich doped nano porous carbon”的研究性文章。该研究性文章中，作者设计合成了基于富氮多孔碳（ZIF8-NC）和铜集流体的镁硫软包电池，该架构具有以下优势：i）ZIF8-NC提供导电骨架，显著提升电子和Mg2+离子传导；ii）沸石咪唑酯骨架材料（ZIF-8）衍生的富氮位点展现出卓越的多硫化镁（MgPS）锚定能力；iii）铜集流体不仅加速锚定态MgPS向MgS的转化，还参与电极反应；iv）材料易于大规模合成，具备实际应用潜力。基于ZIF8-NC的镁硫扣式电池在1C倍率下循环1000次后仍保持310 mAh·g-1的比容量。此外，镁硫/ZIF8-NC软包电池在1C倍率下循环300次后，正极能量密度高达120 Wh·kg-1，比容量达~330 mAh·g-1。软X射线吸收光谱（sXAS）分析表明，铜的初始催化反应遵循Cu0↔Cu2S路径，后续反应为Cu2S↔CuxS。理论计算与实验结果共同揭示，吡啶氮可作为多硫化物的吸附催化位点。该工作不仅为高性能镁硫软包电池的制备提供了简易方法，还提出了氮活性位点与铜催化反应协同提升电池性能的作用机制。

图1. S/ZIF8-NC正极搭配铜集流体的镁硫电池机理示意图。

【结果与讨论】

研究亮点

图2. ZIF-8、ZIF8-C、ZIF8-NC及S/ZIF8-NC的制备流程及结构特征。研究团队采用模板法，以ZIF-8为前驱体，获得氮掺杂分级多孔碳（ZIF8-NC）材料。该材料具有高比表面积（860 m2·g-1）与丰富氮位点（8.87 at.%），可实现高效的硫负载和多硫化物锚定。

图3. 电化学性能。S/KB、S/ZIF8-C和S/ZIF8-NC（a）采用铝集流体和（b）铜集流体的循环稳定性。（c）恒电流放电/充电曲线。（d）倍率性能。（e）循环伏安（CV）曲线。（f）氧化还原峰的log(i)与log(v)关系图。通过调控正极材料氮含量和集流体类型，证实高氮含量硫宿主材料和铜集流体可显著提升镁硫电池的循环稳定性和倍率性能。具体而言，采用铜集流体的S/ZIF8-NC正极在0.1C倍率下循环100圈后保持~1120 mAh·g-1的可逆容量，显著优于铝集流体体系（30次循环后仅~390 mAh·g-1）及低氮含量S/ZIF8-C/铜集流体体系（100次循环后~820 mAh·g-1），验证了铜集流体和氮掺杂纳米碳材料的协同效应。

图4. Mg-S/ZIF8-NC软包电池电化学性能。Mg||S/ZIF8-NC软包电池在平坦状态和弯曲状态均可点亮LED，在0.1C倍率下，展现出~900 mAh·g-1的初始放电容量，与实验室纽扣电池的测试结果相近。经过50次循环，电池展现出~1000 mAh·g-1的高可逆容量，对应的能量密度达到1020 Wh·kg-1（基于硫的质量）和120 Wh·kg-1（基于整个正极片的质量）。电池在1C倍率下经过300次循环后仍能保持~330 mAh·g-1的放电容量，且未发现有明显的产气现象。

图5. 铜集流体的氧化还原机制。通过SXRD和sXAS分析，阐明了铜集流体在放电过程中的动态演变机制。循环初期，铜集流体在放电过程中经历Cu0↔Cu2S转变，有效催化硫正极的还原反应并生成放电终产物MgS。同时，循环过程中形成的部分Cu2S参与电荷存储，贡献部分容量，解释了循环过程中容量上升现象。研究发现Cu (111)晶面具有更稳定的催化可逆性，而Cu (220)晶面形成的Cu2S直接参与充放电过程的倾向更强。

图6. 氮掺杂纳米碳的作用机制。通过XPS测试证实ZIF8-NC材料不仅为载流子传输提供稳定通道，其分级多孔结构在实现原位固硫的基础上，通过吡啶型氮活性位点与多硫化物之间形成强的N-S化学键合作用（结合能计算为-2.3 eV），在分子尺度上实现了对可溶性多硫化物的高效锚定，最终显著提高电极结构的电化学稳定性。

【总结】

针对多硫化物溶解穿梭严重的问题，本研究通过简便的溶剂法与两步热处理工艺，成功制备了具有高比表面积的富氮纳米多孔碳材料。研究结果表明，材料中的吡啶氮活性位点在电极性能中发挥关键作用，其通过与多硫化物形成强N-S化学键，实现了对可溶性多硫化物的高效锚定，从而显著提升了电极的电化学稳定性。此外，本研究深入阐明了铜集流体在放电过程中的作用机制：Cu (111)晶面因其更稳定的表面结构，表现出优异的催化可逆性；而Cu (220)晶面则在反应过程中生成Cu2S，直接参与充放电过程并贡献部分容量。在此基础上所开发的镁硫软包电池的硫正极首次放电容量达到900 mAh·g-1，能量密度可达120 Wh·kg-1，在1C倍率下经300次循环后仍保持~330 mAh·g-1高的可逆容量，整个过程无明显产气。

【文章链接】

Exploring high-performance magnesium-sulfur pouch cells using nitrogen-rich doped nano porous carbon

来源：翱谜科技