- 南京理工大學(xué)傅佳駿、陳濤《AFM》：親鋰/親硫聚合物粘結(jié)劑助力鋰硫電池600次穩(wěn)定循環(huán)
- 發(fā)布日期：2022-06-22
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(jīng)濟(jì)儲(chǔ)能體系最有希望的候選電池之一。然而，其實(shí)際應(yīng)用由于多硫化鋰的溶解和穿梭而受到嚴(yán)重阻礙。
近日，南京理工大學(xué)傅佳駿教授、陳濤教授巧妙地設(shè)計(jì)了一種同時(shí)具有親鋰性和親硫性的兩性離子聚合物粘結(jié)劑，它可通過與多硫化鋰的強(qiáng)相互作用，實(shí)現(xiàn)對陽離子和陰離子的協(xié)同調(diào)節(jié)。聚合物兩性離子內(nèi)的陽離子季銨基團(tuán)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(yōu)先與鋰離子偶聯(lián)，從而促進(jìn)離子轉(zhuǎn)移，并推動(dòng)多硫化物的氧化還原動(dòng)力學(xué)。此外，通過氫鍵和靜電相互作用交聯(lián)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)使機(jī)械堅(jiān)固的正極能夠承受體積變化并在反復(fù)鋰化/脫鋰時(shí)自發(fā)修復(fù)裂縫。受益于這些優(yōu)勢，采用兩性離子聚合物粘結(jié)劑的Li-S扣式電池在0.2 C時(shí)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(huán)后每循環(huán)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(dá)8.5 mg cm-2的硫負(fù)載下，經(jīng)過50次循環(huán)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(jié)劑在進(jìn)一步開發(fā)高性能鋰硫電池方面的潛力。
文章要點(diǎn)：
1. 具體而言，這項(xiàng)工作通過合理設(shè)計(jì)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(jià)連接在烷基和烷氧基基體中，開發(fā)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(jìn)行有效的多硫化物調(diào)控。
2. 在分子水平上，ZIP基質(zhì)中豐富的聚合兩性離子同時(shí)具有親硫和親鋰部分，能夠通過協(xié)同陽離子-陰離子調(diào)節(jié)同時(shí)限制多硫化物擴(kuò)散并加速硫氧化還原動(dòng)力學(xué)。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(jìn) Li+的傳導(dǎo)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(qiáng)多硫化物的氧化還原轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)，尤其是在高硫負(fù)載的情況下。同時(shí)，由氫鍵和靜電相互作用組成的動(dòng)態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)賦予ZIP粘結(jié)劑自修復(fù)功能，能夠修復(fù)電極中的裂縫并在長時(shí)間循環(huán)中保持結(jié)構(gòu)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(xiàn)出優(yōu)異的性能。總之，這種多功能兩性離子聚合物粘結(jié)劑的設(shè)計(jì)理念將為耐用和高性能的鋰硫電池開辟一條新途徑。
