南京理工大学傅佳骏、陈涛课题组 AFM:两性离子聚合物粘结剂协同调控多硫化物构筑高性能锂硫电池
2022-06-21 来源:高分子科技
在新一代储能技术开发的过程中,基于多电子转化反应的锂硫(Li-S)电池由于其超高的理论能量密度(2600 Wh kg-1)、低廉的材料价格以及优异的环境友好性,锂硫(Li-S)电池是下一代高效、经济储能体系最有希望的候选电池之一。但是锂硫电池距离实际运用还有许多问题亟待解决,例如:中间多硫化物的产生会在电解液中溶解,在正负极之间穿梭,造成硫的不可逆损失,严重影响库伦效率、循环稳定性、增大了电池内阻;Li2S(1.66 g cm-3)与S(2.03 g cm-3)密度相差较大,产生的体积膨胀会使电池容量迅速衰减。因此保持硫电极的结构稳定性同时在正极区域将可溶性多硫化物吸附和再转化成为了锂硫电池未来实际应用的关键。
近日,南京理工大学傅佳骏教授、陈涛教授在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Synergistic Cation–Anion Regulation of Polysulfides by Zwitterionic Polymer Binder for Lithium–Sulfur Batteries”的观点文章。该文章巧妙地设计了一种同时具有亲锂性和亲硫性的两性离子聚合物粘结剂,它可通过与多硫化锂的强相互作用,实现对阳离子和阴离子的协同调节。具体而言,这项工作通过合理设计自由基共聚,将聚合物两性离子、聚(乙二醇)甲基醚丙烯酸酯(PEGA)和丙烯酸2-羟乙酯(HEA)单体共价连接在烷基和烷氧基基体中,开发了一种高度支化的两性离子聚合物粘合剂(ZIP),以用于在Li-S电池中进行有效的多硫化物调控。变温红外光谱结合二维相关光谱分析表明ZIP中存在氢键以及季铵盐阳离子和磺酸盐阴离子之间的离子相互作用。
图1 聚合物粘结剂的分子间相互作用表征
图2 聚合物粘结剂对多硫化物的吸附研究
图3 原位拉曼测试表征不同粘结剂在充放电过程中多硫化物的氧化还原过程
由于这些有利的特性,锂硫电池在扣式电池和软包电池水平上均表现出优异的性能。采用两性离子聚合物粘结剂的Li-S扣式电池在0.2 C时提供了1230.6 mAh g-1的高初始放电容量,以及在2 C下600次循环后每循环0.03%的超低容量衰减率。此外,在Li-S软包电池水平上,在高达8.5 mg cm-2的硫负载下,经过50次循环后可以获得6.6 mAh cm-2的高面积容量,这证明了两性离子聚合物粘结剂在进一步开发高性能锂硫电池方面的潜力。总之,这种多功能两性离子聚合物粘结剂的设计理念将为耐用和高性能的锂硫电池开辟一条新途径。
图4 锂硫电池电化学性能测试
图5. (a-d)PVDF粘结剂的硫阴极的SEM图像。(e-h)ZIP粘结剂的硫阴极的SEM图像。(i)氢键交联的动态网络和静电相互作用在放电/充电过程中的作用示意图。
原文链接:
Synergistic Cation–Anion Regulation of Polysulfides by Zwitterionic Polymer Binder for Lithium–Sulfur Batteries
Cheng Wang, Peng Chen, Yinan Wang, Tao Chen, Mingliang Liu, Mingchang Zhang, Yongsheng Fu, Jianqiang Xu, Jiajun Fu
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202204451
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(责任编辑:xu)
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