锂硫电池(LSBs)因其高理论能量密度、低成本和环境友好等优势而被认为是最有前途的储能设备之一。然而，硫正极的低速反应动力学、可溶性多硫化物的穿梭效应以及锂金属负极的低可逆性给锂硫电池的发展带来了巨大挑战。共价有机框架(COFs)作为一类多孔结晶聚合物，具有规则的孔结构和可设计的化学环境，是一种理想的平台，可设计同时解决穿梭效应和锂枝晶问题的分子材料。
8797威尼斯老品牌左景林教授、金钟教授、袁帅教授等合作，设计合成了一种金属配位三维共价有机框架(NiS4-TAPT COF)，其骨架具有均匀分布的金属镍二硫烯位点以及富N位点三嗪中心，可以作为锂硫电池中S正极和Li负极的双功能宿主材料。
图1. NiS4-TAPT的结构与功能设计示意图。
作为S正极宿主材料时，作者通过对比实验与理论计算证明了NiS4-TAPT的结构优势。合成了不含N位点以及不含Ni金属中心的同拓扑结构3D COFs (NiS4-TAPB和ETTA-TFPB)，通过系统的电化学对比实验以及理论分析证明了NiS4-TAPT中N位点能够有效吸附多硫化物，镍二硫烯中心则能够吸附并促进多硫化物转化，充分体现了结构与功能之间的构效关系。而且这种将吸附位点与催化位点集成在同一框架中的设计，优化了S宿主材料与多硫化物中间体之间的化学作用，更有效抑制多硫化物的穿梭。
此外，作者还将NiS4-TAPT应用于锂硫电池负极，证明了NiS4-TAPT集流体对于Li金属均匀沉积的诱导作用。并组装了基于NiS4-TAPT材料的全电池Li@NiS4-TAPT||S@NiS4-TAPT，在0.5 C电流密度下的初始放电容量为1150 mA h g−1，在1.0 C电流密度下循环400圈后电池的放电比容量为620 mA h g−1，容量保持率为73%，平均每圈循环损失0.0675%，其库伦效率一直保持在99%左右，体现了Li@NiS4-TAPT||S@NiS4-TAPT优异的循环稳定性。这项工作为设计应用于高能二次电池的多功能金属COF基电极材料提供了新的思路。
图2. Li@NiS4-TAPT||S@NiS4-TAPT全电池的结构设计与性能测试。
相关成果以“Metal-Coordinated Covalent Organic Frameworks as Advanced Bifunctional Hosts for Both Sulfur Cathodes and Lithium Anodes in Lithium-Sulfur Batteries”为题发表在Journal of the American Chemical Society上，DOI: 10.1021/jacs.4c01620。论文第一作者为博士生吕森和马兴凯，通讯作者为左景林教授和金钟教授。以上研究工作依托配位化学国家重点实验室、介观化学教育部重点实验室、高性能高分子材料与技术教育部重点实验室和江苏省先进有机材料重点实验室等科研平台的支持，并获得了国家自然科学基金、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金、江苏省科技成果转化专项、中央高校基本业务费融合创新专项等项目的资助。