主要作者包括Yuanchun Ji, Xinyang Liu-Théato, Yanlei Xiu, Sylvio Indris, Christian Njel, Julia Maibach, Helmut Ehrenberg, Maximilian Fichtner, 和Zhirong Zhao-Karger，分别隶属于Helmholtz Institute Ulm (HIU)、Karlsruhe Institute of Technology (KIT)等机构。这篇研究发表于期刊《Advanced Functional Materials》，文章编号为2100868，且公开发表于2021年。

研究背景：

本研究主要针对镁-硫电池（Magnesium-Sulfur, Mg-S Battery）展开。镁-硫电池作为后锂电池（Post-Lithium Battery）系统的重要候选技术，因其高体积能量密度、安全性和成本效益，引起了广泛关注。然而，该技术的主要瓶颈包括充放电过程中可溶性多硫化物（Polysulfides）的“穿梭效应（Shuttle Effect）”引起的容量快速衰减问题，这极大地制约了其实用化。此外，制约镁电池性能的主要原因还包括镁阳离子的扩散动力学缓慢以及阴极材料表现的不足。为应对这些挑战，本研究从隔膜功能化（Functionalization of Separator）入手，采用一种基于多金属氧簇（Polyoxometalates, POMs）和碳复合涂层的策略，希望通过材料表面与多硫化物的相互作用抑制“穿梭效应”，并提升镁-硫电池的性能。

研究目标：

本研究旨在开发一种新型的功能化隔膜，通过利用十钒酸根（Decavanadate, TBA₃[H₃V₁₀O₂₈]）型多金属氧簇与导电碳复合材料，对玻璃纤维隔膜进行涂层改性，用以抑制多硫化物扩散，增强镁-硫电池的容量稳定性和循环效率。

研究流程：

材料制备：

• 阴极材料： 硫（Sulfur）通过熔融扩散法均匀分布到导电碳基质Ketjenblack（KB）中，先于160°C熔融扩散，后在300°C热处理去除表面硫沉积；最终硫的负载量约为50%。
• 电解液： 使用无氯镁离子导电盐Magnesium tetrakis(hexafluoroisopropyloxy) borate（Mg[B(HFIP)₄]₂）与二甲氧基乙烷（DME）配制。
• 隔膜改性： 为保证涂层的均匀性及一致性，采用静电纺丝（Electrospinning）技术将TBA₃[V₁₀O₂₈]（十钒酸根）多金属氧簇、导电碳Super P与聚偏氟乙烯（PVDF）的混合浆料涂覆于Whatman玻璃纤维隔膜的一侧，质量比为POM:Super P:PVDF=1:6:3，复合涂层的总质量负载量为0.5 mg/cm²。扫描电子显微镜（SEM）表明涂层均匀，颗粒尺寸约为50 nm，涂层厚度为10 µm。

功能测试：

• 扩散试验： 通过H型玻璃池测试隔膜阻止多硫化物扩散的能力。结果表明，与未改性的玻璃纤维隔膜相比，涂覆POM和碳的改性隔膜能显著阻止多硫化物从阳极侧渗透至阴极侧。

• 循环寿命测试： 将改性与未改性隔膜分别组装入镁-硫电池中，测量其充放电曲线及容量稳定性：

  1. 未改性隔膜的初始容量为460 mAh/g，但在第10次循环后即迅速衰减到310 mAh/g。
  2. 涂覆导电碳（ES.-C）隔膜的电池性能稍有改善，但容量衰减仍偏快。
  3. 涂覆POM与碳复合涂层（ES.-POM/C）的隔膜表现出极好的循环寿命，容量从初始的360 mAh/g逐步增加到第15次循环时的450 mAh/g，并在第50次循环后保持在400 mAh/g左右，第100次循环仍能维持在320 mAh/g，显示出显著的稳定性提升。

• 倍率性能测试： 在0.05C到1C的不同倍率下测试，发现低电流密度（如0.05C, 0.1C）下，充放电曲线显示较为明显的平台特征；但在高倍率（0.5C，1C）条件下，由于硫转化动力学的限制，电池表现出较高的极化现象，导致能量效率偏低。

机制分析：

• 多硫化物与涂层成分的相互作用： 为进一步研究POM涂层的作用机理，采用X射线光电子能谱（XPS）对比分析未改性隔膜、ES.-C隔膜和ES.-POM/C隔膜。结果表明：
  1. POM因其氧化还原活性（由V⁵⁺还原为V⁴⁺），能够与多硫化物发生化学相互作用，加速其转化为稳定的硫化物，减少了活性物质的损失。
  2. 涂层中的导电碳通过物理吸附进一步增强了对多硫化物的捕获能力。

研究结果：

1. 功能化隔膜的性能提升： 涂覆POM/碳复合涂层的玻璃纤维隔膜不仅显著抑制了多硫化物穿梭效应，还通过捕获并活化硫物质，提高了硫的利用率。
2. 循环稳定性与容量保持： 与普通隔膜相比，改性隔膜显著延长了镁-硫电池的循环寿命，第100次循环后容量保持率约为89%，远高于普通隔膜的47%。
3. 倍率能力分析： 改性隔膜在较低倍率条件下显著提升了电池容量，但在高倍率时仍有极化现象限制其效率。

研究结论：

本研究通过针对镁-硫电池的隔膜功能化改性技术，首次展示了十钒酸根（Decavanadate, TBA₃[H₃V₁₀O₂₈]）多金属氧簇涂层的阻隔多硫化物扩散能力。这种基于POM/碳涂层的隔膜能显著减缓电池容量衰减，提高循环稳定性，同时为多硫化物的“捕获-再利用”提供一种全新途径。这种设计对于开发高效且高稳定性的金属-硫电池具有重要指导意义。

研究亮点：

1. 在隔膜表面引入多金属氧簇，不仅增强了多硫化物抑制效果，还首次通过XPS验证了其对多硫化物的化学转化机制；
2. 静电纺丝技术应用于隔膜改性，制备出结构均匀、性能优良的复合涂层；
3. 成功验证了镁-硫电池具备长循环寿命的潜力，为提升后锂电池性能提供了可行策略。

这项研究为未来金属-硫电池的研发提供了新思路和技术参考，尤其在高稳定性和高能量密度储能装置的设计领域具有广泛意义。