采用反应型聚合物管制备高负载硫正极

在锂硫（Li-S）电池中同时获得高重量能量密度（Eg）和体积能量密度（Ev）是一个长期存在的挑战，必须为实际应用而解决，这需要在具有优化功能和结构的电极材料方面取得突破。

近日，西北工业大学谢科予教授、新加坡国立大学罗健平教授设计并制备了可用于调节硫物种氧化还原化学反应的含蒽醌的反应型聚合物管（PQT），用于实用的Li-S电池。研究显示，PQT有利于与硫相似的氧化还原电位窗口，通过可逆的锂化/脱锂过程，有效地促进了硫物种的固定和转化。

此外，它的管状结构和高振实密度对于制备具有高硫负载的完整电极和在电池运行期间最大限度地减少电解液的摄入至关重要。受益于上述优势，采用PQT/S正极的Li-S电池表现出稳定的循环性能（在2.0C下1000次循环后保持73%）、显著的倍率性能（10C时为514.2 mAh g-1），以及在贫电解液和高硫负载条件下的7.20 mAh cm−2的高面容量。更重要的是，组装的Li-S软包电池提供了329 Wh kg-1的Eg和401 Wh L-1的Ev，这符合实际应用的要求。

文章要点：

1. 这项工作制备了两种含蒽醌的聚合物，并应用于实现高负载硫正极的高面积容量。在电池运行过程中，羰基的可逆锂化/脱锂过程与硫物种的还原/氧化过程同时发生，通过形成额外的Li-S键，大大提供了强大的亲和力，加速了聚合物和多硫化物之间的离子/电子迁移。

2. 此外，该聚合物表现出可接受的振实密度和低孔隙率，这对于高硫负载正极的制备和运行至关重要。与其普通对应物（P15AQ）相比，中空结构在管状含蒽醌聚合物（PQT）中注入了高密度的活性点和足够的电解液渗透途径。因此，它非常适用于实现实用Li-S电池高硫负载正极的容量。

3. PQT/S正极实现了838 mAh g-1的高比容量，并在2 C下循环1000次后保持596.2 mAh g-1的比容量，相应地，每循环的容量损失低至0.027%。更重要的是，当硫负载增加到9 mg cm−2时，可以获得7.20 mAh cm−2的高可逆面积容量，这超过了最先进的商用锂离子电池（3-5 mAh cm−2）。此外，一个由PQT/S正极和锂箔负极配对组装的Li-S软包电池可提供329 Wh kg-1的Eg和401 Wh L-1的Ev。



图1 材料合成及作用示意



图2 材料表征



图3 对多硫化物的吸附和催化转化



图4 Li-S电池性能

原文链接： https://doi.org/10.1002/adfm.202212759 





审核编辑：刘清