碳中和目標(biāo)下，國(guó)內(nèi)新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，在可產(chǎn)業(yè)化的電池體系的選擇中，鋰硫電池因其高理論能量密度、低成本、高安全等優(yōu)勢(shì)被視為最具潛力的下一代電池之一。然而，由于硫的絕緣性和可溶性多硫化鋰溶解流失、穿梭效應(yīng)等諸多問(wèn)題，嚴(yán)重影響了鋰硫電池的循環(huán)壽命。盡管眾多研究人員在材料探索與復(fù)合材料的形貌設(shè)計(jì)做出很多努力，但有效解決高性能鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性問(wèn)題仍是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。 近日，桂林理工大學(xué)的李新宇研究員團(tuán)隊(duì)利用高導(dǎo)電性的PEDOT封裝納米硫(NS)構(gòu)建特殊的微環(huán)境反應(yīng)室（SP-NRs），并且作為粘合劑，通過(guò)界面鍵合將分散的NS納米反應(yīng)器附著在CNT上，緊密連接成一個(gè)串聯(lián)集成結(jié)構(gòu)CNT/NS@PEDOT。這種設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了集成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、空間利用效率高、互聯(lián)性強(qiáng)等特點(diǎn)，為快速反應(yīng)提供了較大的反應(yīng)界面和離子傳輸供給，實(shí)現(xiàn)了能量的高效存儲(chǔ)和電荷的高速傳輸。同時(shí)，利用硫納米反應(yīng)器獨(dú)特的封閉效應(yīng)和濃度梯度，以及各單元之間的串聯(lián)、隔離和協(xié)同倍增效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了電極的最佳性能。這項(xiàng)工作為推進(jìn)新型儲(chǔ)能器件的精細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的研究思路和方法。
所提出的CNT/NS@PEDOT陰極具有較高的初始比容量和穩(wěn)定的循環(huán)特性，在1C的初始放電容量為918mAh g-1，并且在1000次循環(huán)中，每次循環(huán)的容量衰減率僅為0.011%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，PEDOT殼層可以作為液態(tài)電解質(zhì)LiPS的穩(wěn)定界面，為電子傳遞提供豐富的活性位點(diǎn)，并允許鋰離子通過(guò)和進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，有效防止了循環(huán)過(guò)程中可溶性LiPS的溶解。集成SP-NRs后，實(shí)現(xiàn)了高硫利用率的協(xié)同效應(yīng)，確保了電池的高容量和循環(huán)穩(wěn)定性。 理論計(jì)算進(jìn)一步證明了這種串聯(lián)集成結(jié)構(gòu)的高穩(wěn)定性，從而促進(jìn)了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。此工作計(jì)算了每個(gè)離解過(guò)程的吉布斯自由能變化（ΔG）并模擬了鋰離子在擺脫LiPS基團(tuán)的影響后在PEDOT結(jié)構(gòu)表面的自由遷移。結(jié)果顯示Li2S具有小的分解勢(shì)壘，這有利于電池的充電。同時(shí)，Li離子的遷移勢(shì)壘為0.57eV，這樣的低遷移勢(shì)壘可以極大地促進(jìn)LiPS轉(zhuǎn)化為S8。這項(xiàng)工作的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明了所構(gòu)建串聯(lián)集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性，并為進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)新型儲(chǔ)能器件提供了靈感來(lái)源。 論文信息 Integrated Design for Discrete Sulfur@Polymer Nanoreactor with Tandem Connection as Lithium–Sulfur Battery Cathodes Bin Wang+, Yu Wang+, Yudong Lan, Guiling Lu, Ling Liu, Tao Tang, Ming Li, Yong Cheng*,Jianrong Xiao*, Xinyu Li* 該研究工作由桂林理工大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院李新宇研究員課題組，在國(guó)家自然科學(xué)基金(No. 12164013）的資助下完成，論文的共同第一作者為李新宇研究員的碩士研究生王斌和王雨，通訊作者為程勇、肖劍榮教授和李新宇研究員。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202406693
