最近，柏林赫爾姆霍茨中心（Helmholtz-Zentrum Berlin）與柏林工業大學（Technical University of Berlin）共同開發了一種新材料，該材料能顯著提升鋰硫（Li-S）電池的性能。這種材料基於一種名為自由基陽離子共價有機框架（radical-cationic covalent organic framework，簡稱 COF）的多孔聚合物結構。研究指出，COF是一種新型的「結晶有機聚合物」，擁有高孔隙率、可定制結構、低密度和化學穩定性等關鍵特徵。這項研究的發現顯示，這種新材料能夠使電池的使用壽命超過 1,500 次循環，若被廣泛應用，將有助於提升下一代鋰硫電池的容量和穩定性。
鋰硫電池因其高能量容量而備受關注，未來可能會取代鋰離子電池。這類電池的成本低且安全性高，因為硫的價格便宜且資源豐富，能有效減少對環境的影響。然而，鋰硫電池的廣泛應用受到其快速電量損失的缺陷所制約，這主要是由於充放電周期中形成的副產物——多硫化物（polysulfides）。這些多硫化物會溶解並遷移，導致電池性能下降並縮短其使用壽命。新開發的 COF 材料提供了一個解決方案，能有效捕捉和重新利用這些多硫化物。
與以往的嘗試相比，這種新型 COF 材料融入了特定的「自由基」（即帶有未配對電子的分子），這些自由基作為微小催化劑，主要基於一種名為四硫化二烯（tetrathiafulvalene，TTF）單元。這些自由基促進了新開發的 COF 材料（命名為 R-TTF•+-COF）內部的高效化學反應，能有效捕捉多硫化物並將其轉化為可用的硫，從而防止多硫化物縮短電池的壽命。研究團隊在 9 月 15 日的新聞稿中解釋道，「該材料由四硫化二烯單元（[TTF]2•+）和三硫化物自由基陰離子（S3•-）通過苯噻唑（R-TTF•+-COF）連接組成，這顯著提高了 COF 的催化活性和電導率。」
透過一系列的實驗分析，包括固態核磁共振（ssNMR）光譜、電子自旋共振（EPR）光譜和理論計算，研究團隊闡明了該材料的機制。該材料的特性能夠通過將多硫化物轉化為可用的硫來再生電池，直接對抗影響 Li-S 電池的降解問題。博士生曹思佳（Sijia Cao）技術性地解釋道，「這使我們能夠展示自由基陽離子 [TTF]2•+ 作為催化中心，能夠結合鋰多硫化物（LiPSs），並促進 S−S 鍵的延長和斷裂。」實驗結果顯示，這種新材料能夠提高鋰硫電池的性能，使其在僅每個循環損失 0.027% 的情況下持續超過 1,500 次循環，這一耐用程度超過了這類電池通常的 1,000 次循環限制。
研究的作者盧燕（Yan Lu）表示，將這類自由基框架結構整合到鋰硫電池中顯示出良好的前景。這項發展有望推進可持續能源儲存在各種技術中的應用，例如電動車和電動飛機。研究團隊也認為，通過定制自由基結構，仍有更多的改進空間。該研究的發現已發表在《美國化學學會雜誌》（Journal of the American Chemical Society）上，為鋰硫電池的未來發展提供了新的可能性。
