在全球范围内，很多设备的运行都需要依赖锂离子电池，包括电子产品、无线耳机、手持式工具、家用电器、电动汽车以及储能系统。然而，随着传统阴极电极正逐渐逼近其理论容量极限，科学家们正在加速探索替代性的储能解决方案。

在此背景下，重新定义储能的锂硫电池（LSB）正成为一种强大的替代方案。此种电池将锂作为负极，硫作为正极，容量高达1675 mAh/g，能量密度高达2500 Wh/kg。不过，尽管此类电池具有很大的潜力，其也面临着一些关键挑战，包括导电性低、体积严重膨胀以及“穿梭效应”（shuttle effect）。具体而言，绝缘硫中间体，如Li2S2和Li2S，会阻碍离子的传输，在充放电循环中，阴极的体积会膨胀80%，而且多硫化物的穿梭会导致自放电现象，从而降低电池效率、缩短电池的寿命。

新阴极材料制成的电池（图片来源：上海交通大学）

据外媒报道，为了解决上述问题，中国上海交通大学（Shanghai Jiao Tong University）研究团队研发了金属有机框架（MOF）衍生的分级多孔TiO₂@NPC结构，将二氧化钛与纳米多孔碳结合在一起。该设计为设计高硫负载的TiO₂@NPC@S阴极奠定了基础，可显著提升导电率、增强稳定性并最大限度地提高硫的保留率。

研发阴极材料

在多步骤制备工艺的初始阶段，科学家们通过将邻苯二甲酸与钛酸四丁酯加入由N，N-二甲基甲酰胺以及甲醇组成的混合溶剂中，在室温下进行搅拌，合成了MOF前驱体。随后，通过进行超声处理以及剧烈的搅拌，确保形成良好的前驱体。

研究人员表示：“该混合物被置于155°C（311°F）的水热釜中，加热20个小时，经洗涤和干燥后，获得了MOF前驱体。此类前驱体在500°C（932°F）的高温管式炉中，在氮气的保护下，碳化了12个小时，从而形成了TiO₂@NPC材料。”最后，研究人员将TiO₂@NPC与升华硫按照3:7的比例混合，并将其密封在真空环境中，然后在320°F的温度下持续加热12个小时，以制成TiO₂@NPC@S材料。

研究团队运用了SEM（扫描电子显微镜）和TEM（透射电子显微镜）这两种尖端的表征技术对材料进行了深入分析。这两种技术是电子显微成像领域中最广泛采纳的工具。分析结果揭示了该材料是一种具有3D多孔结构的材料，它能够有效地吸附并保留硫。

研究人员表示：“在存储硫之后，TiO2@NPC@S材料中的孔隙似乎被填满，表明硫已渗透并固定。XRD（X射线衍射）分析确认TiO2@NPC材料的锐钛矿相结构，而且其中微弱的硫相关衍射峰表明其具有良好的硫分散性。”

X射线衍射探测到强大的氧-硫（O-S）和钛-硫（Ti-S）键，稳定了硫并降低了穿梭效应的影响。同时，热重分析（TGA）测量到硫的含量为64.09%，而Brunauer–Emmett–Teller计算法得出，该材料呈现多孔结构，表面积达155.34 m²/g，提升了电解质的渗透性能以及对硫膨胀的容纳能力。

未来的应用潜力

电化学测试结果证实，TiO₂@NPC@S电极性能优越，在0.5 C（即电池以每小时释放其总容量一半的速率）的充放电速率条件下，初始容量为1327.35 mAh/g。

研究人员表示，经过300次充放电循环后，该电池的容量保持在601.54 mAh/g，平均每次循环的容量衰减率仅为0.16%，优于商用Y-50@S材料。在速率性能测试中，在1C（电池以每小时释放其总容量的速率）条件下的容量为928 mAh/g，在1.5C（电池以每小时释放其总容量1.5倍的速率）条件下的容量为743 mAh/g，而Y-50@S电极的容量在高速率条件下的容量会出现明显下降。

电化学抗阻谱（EIS）测试结果显示，TiO2@NPC@S材料具有较低的电荷转移电阻，有助于实现更快的反应并提升导电性。该研究提出了改进LSB电极的新方法，研究人员们希望此种阴极材料可以实现高性能储能技术，并为可持续能源的未来提供助力。