东北大学张鹏副教授，河南大学赵勇教授最新Angew: 多功能氧化还原介质与隔膜改性协同提高低电解质/硫比下锂硫电池性能

第一作者：靳伟华，郭云鹏

通讯作者：张鹏*，赵勇*

单位：东北大学，河南大学

在各种潜在的电化学储能技术中，锂硫（Li-S）电池因其卓越的理论能量密度（~2600 Wh kg⁻¹）、成本效益和环境可持续性而被广泛认为是主要候选者之一。长期以来，绝缘S₈和Li₂S的缓慢反应动力学以及多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应一直被认为是锂硫电池中高极化、不完全转化和寄生化学的根本原因，导致其能量密度和循环寿命低。开发与电极结构优化相结合的先进固体催化剂是改善S₈↔Li₂S反应动力学的主要手段，该手段通过催化剂与硫物种之间的库伦相互作用实现降低转换能垒和抑制穿梭效应的目标。不幸的是，在高S负载和/或低电解质/硫（E/S）比的条件下，固体催化剂和大S/Li₂S簇之间的有限接触位点不足以实现高动力学；同时吸附转换易诱导Li₂S的二维成核，限制锂硫电池的高比容量。这些问题限制了高性能锂硫电池进一步发展。

基于此，来自东北大学的张鹏副教授与河南大学的赵勇教授，在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表题为”Cooperation of Multifunctional Redox Mediator and Separator Modification to Enhance Li-S Batteries Performance under Low Electrolyte/Sulfur Ratio”的研究论文。该研究首先通过引入了一种新颖的氧化还原介质(RM)：乙基紫精(EtV²⁺)，其拥有两个与锂化和脱锂阶段匹配良好的氧化还原电对(EtV²⁺/EtV⁺, EtV⁺/EtV⁰) 用于硫物种的氧化还原化学，是还原S₈、调节Li₂S成核和同时氧化Li₂S的多功能催化剂；其次，通过氧化石墨烯接枝聚苯乙烯磺酸锂（GO-g-PSSLi）对聚丙烯隔膜（PP）进行修饰，实现了EtV²⁺、EtV⁺和LiPSs三者穿梭效应的有效抑制和高的Li⁺电导率， RM介导和隔膜修饰策略的多重协同作用，最终实现硫物种转化活化能的有效降低和转化可逆性的显著提升。这项工作代表了有效利用 RM 介导功能并同时通过隔膜改性消除其穿梭效应的范例，揭示了多策略协同作用对于解决锂硫电池和其他电池中复杂化学和电化学问题的重要性。

乙基紫精分子的两个可逆氧化还原电对促进了硫物种转换的多个反应步骤，包括还原S₈、调节Li₂S成核和氧化Li₂S。

要点二：隔膜改性及其功能

改性PP隔膜提供了显著增强的Li⁺电导率，并有效抑制了对LiPSs和正价EV²⁺/EV⁺的穿梭效应。这两种策略的结合可以将RM限制在阴极侧，从而避免阳极腐蚀和消耗，确保两个电极的稳定快速界面反应。

要点三：GO-g-PSSLi@PP与乙基紫精的协同效应

多功能的乙基紫精 与GO-g-PSSLi@PP的协同作用（介导电子传输vs介导离子传输和电正性RM vs电负性隔膜修饰分子），显著改善了锂硫电池中的反应动力学和电池的可逆性，提升了锂硫电池的反应活性，降低了活化能垒，并有效提高了电池的硫活化率和硫利用率，从而增强了电池的容量、稳定性和倍率性能。

要点四：增强机理分析和电池性能

通过利用DRT分析方法，量化了Li-S电池内复杂的电化学过程，为Li-S电池的容量衰减提供了细致分析：1）SEI层分解和LiPSs穿梭效应对Li⁺传输的限制；2） Li₂Sn的缓慢转化动力学和聚集导致硫利用率降低；3）由Li₂S二维沉积引起的阴极界面钝化，产生非活性的“死”Li₂S和S。GO-g-PSSLi和EtV²⁺的协同作用有效地解决了上述问题，并最终实现了Li-S电池的高倍率性能和循环性能，促进了电池的稳定运行。

Cooperation of Multifunctional Redox Mediator and Separator Modification to Enhance Li-S Batteries Performance under Low Electrolyte/Sulfur Ratio

Cooperation of Multifunctional Redox Mediator and Separator Modification to Enhance Li‐S Batteries Performance under Low Electrolyte/Sulfur Ratio - Jin - Angewandte Chemie International Edition - Wiley Online Library

赵勇教授简介：博士，教授，国家高层次青年人才。1999-2003年，西北农林科技大学应用化学本科；2003-2008年，中国科学院化学研究所物理化学博士研究生（导师：江雷 教授）；2008-2015年，日本东京大学工学院应用化学系博士后（导师：桥本和仁（Kazuhito Hashimoto）教授）；2016年-至今，河南大学特种功能材料教育部重点实验室“攀登计划”特聘教授。目前的主要研究方向是高比能电池新型电解质和电极材料的设计与构筑，以及电极反应机理探究。在Joule、Nature Communication、Journal of American chemical society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Energy Materials、Chemical Society Reviews等学术期刊上发表SCI论文五十余篇，授权发明专利5项。以第一完成人获得河南省自然科学二等奖。

靳伟华 东北大学理学院2022级硕士研究生，主要研究领域围绕低液硫比条件下的锂硫电池，聚焦于改性隔膜与新型氧化还原介质的协同设计，深入研究关键材料的构效关系与电化学反应机理，探索锂硫电池性能提升与实际应用的可能性。