由于高理論比容量（1675 mAh g-1）和能量密度（2600 Wh kg-1），鋰硫（Li-S）電池是下一代高效、經濟儲能體系最有希望的候選電池之一。然而，其實際應用由于多硫化鋰的溶解和穿梭而受到嚴重阻礙。
近日，南京理工大學傅佳駿教授、陳濤教授巧妙地設計了一種同時具有親鋰性和親硫性的兩性離子聚合物粘結劑，它可通過與多硫化鋰的強相互作用，實現對陽離子和陰離子的協同調節。聚合物兩性離子內的陽離子季銨基團可以固定多硫化物陰離子，并阻止多硫化物遷移，而磺酸根陰離子優先與鋰離子偶聯，從而促進離子轉移，并推動多硫化物的氧化還原動力學。此外，通過氫鍵和靜電相互作用交聯的動態網絡使機械堅固的正極能夠承受體積變化并在反復鋰化/脫鋰時自發修復裂縫。受益于這些優勢，采用兩性離子聚合物粘結劑的Li-S扣式電池在0.2 C時提供了1230.6 mAh g-1的高初始放電容量，以及在2 C下600次循環后每循環0.03%的超低容量衰減率。此外，在Li-S軟包電池水平上，在高達8.5 mg cm-2的硫負載下，經過50次循環后可以獲得6.6 mAh cm-2的高面積容量，這證明了兩性離子聚合物粘結劑在進一步開發高性能鋰硫電池方面的潛力。
文章要點：
1. 具體而言，這項工作通過合理設計自由基共聚，將聚合物兩性離子、聚（乙二醇）甲基醚丙烯酸酯(PEGA)和丙烯酸2-羥乙酯(HEA)單體共價連接在烷基和烷氧基基體中，開發了一種高度支化的兩性離子聚合物粘合劑（ZIP），以用于在Li-S電池中進行有效的多硫化物調控。
2. 在分子水平上，ZIP基質中豐富的聚合兩性離子同時具有親硫和親鋰部分，能夠通過協同陽離子-陰離子調節同時限制多硫化物擴散并加速硫氧化還原動力學。Li+和磺酸鹽末端以及多硫化物陰離子和季銨陽離子之間的靜電耦合有利于促進 Li+的傳導和極性可溶性多硫化物的截留，從而有助于提高硫的利用率和增強多硫化物的氧化還原轉化動力學，尤其是在高硫負載的情況下。同時，由氫鍵和靜電相互作用組成的動態交聯網絡賦予ZIP粘結劑自修復功能，能夠修復電極中的裂縫并在長時間循環中保持結構完整性。
3. 由于這些有利的特性，鋰硫電池在扣式電池和軟包電池水平上均表現出優異的性能。總之，這種多功能兩性離子聚合物粘結劑的設計理念將為耐用和高性能的鋰硫電池開辟一條新途徑。
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