桂林理工大学李新宇研究员课题组， Angew. 观点：离散硫@聚合物纳米反应器的串联集成设计助力锂硫电池

第一作者：王斌、王雨

通讯作者：李新宇*，肖剑荣*，程勇*

单位：桂林理工大学

碳中和目标下，国内新型储能产业快速发展，在可产业化的电池体系的选择中，锂硫电池因其高理论能量密度、低成本、高安全等优势被视为最具潜力的下一代电池之一。然而，由于硫的绝缘性和可溶性多硫化锂溶解流失、穿梭效应等诸多问题，严重影响了锂硫电池的循环寿命。尽管众多研究人员在材料探索与复合材料的形貌设计做出很多努力，但有效解决高性能锂硫电池的循环稳定性问题仍是一项艰巨的挑战。

近日，来自桂林理工大学的李新宇研究员课题组，在国际知名期刊 Angew. Chem. Int. Ed.上发表题为“Integrated Design for Discrete Sulfur@Polymer Nanoreactor with Tandem Connection as Lithium–Sulfur Battery Cathodes”的文章。该论文利用高导电性的PEDOT封装纳米硫(NS)构建特殊的微环境反应室（SP-NRs），并且作为粘合剂，通过界面键合将分散的NS纳米反应器附着在CNT上，紧密连接成一个串联集成结构CNT/NS@PEDOT。这种设计充分发挥了集成结构稳定性、空间利用效率高、互联性强等特点，为快速反应提供了较大的反应界面和离子传输供给，实现了能量的高效存储和电荷的高速传输。同时，利用硫纳米反应器独特的封闭效应和浓度梯度，以及各单元之间的串联、隔离和协同倍增效应，实现了电极的最佳性能。这项工作为推进新型储能器件的精细结构设计提供了新的研究思路和方法。

通过溶液自组装将PEDOT涂覆在NS表面，进而通过氧化剂将EDOT的极性聚合物官能团交联并氧化成PEDOT，构建胶囊结构的纳米反应器腔体的过程。实验结果证明了PEDOT成功构建了纳米反应器腔体，并且与NS形成了有效的物理锁定和化学锚定，抑制了LiPSs在循环过程中的溶解和损失。

所提出的CNT/NS@PEDOT阴极具有较高的初始比容量和稳定的循环特性，在1C的初始放电容量为918mAh g^-1，并且在1000次循环中，每次循环的容量衰减率仅为0.011%。实验数据表明，PEDOT壳层可以作为液态电解质LiPS的稳定界面，为电子传递提供丰富的活性位点，并允许锂离子通过和进行电荷转移，有效防止了循环过程中可溶性LiPS的溶解。集成SP-NRs后，实现了高硫利用率的协同效应，确保了电池的高容量和循环稳定性。

这种结构的空间限制和浓度梯度有效抑制了多硫化物的穿梭效应，并促进了锂多硫化物(LiPSs)的转化。理论计算进一步证明了这种串联集成结构的高稳定性，从而促进了反应动力学。此工作计算了每个离解过程的吉布斯自由能变化（ΔG）并模拟了锂离子在摆脱LiPS基团的影响后在PEDOT结构表面的自由迁移。结果显示Li₂S具有小的分解势垒，这有利于电池的充电。同时，Li离子的迁移势垒为0.57eV，这样的低迁移势垒可以极大地促进LiPS转化为S8。这项工作的理论和实验结果均证明了所构建串联集成结构设计的优越性，并为进一步研究和开发新型储能器件提供了灵感来源。

CNT构成的导电网络为电子提供了高速传输通道，并作为载体支撑SP-NRs。每个SP-NRs的能量存储得到了充分利用，得益于协同效应，确保了制备的锂硫电池(LSBs)具有出色的循环稳定性和倍率性能。该研究展示的策略为高性能能源存储设备的研究指明了方向。

Integrated Design for Discrete Sulfur@Polymer Nanoreactor with Tandem Connection as Lithium–Sulfur Battery Cathodes

李新宇研究员简介：中山大学博士，硕士生导师，现为桂林理工大学研究员。主要从事新能源器件设计的前沿研究工作。根据能源储存与利用的需求，交叉融合多学科领域知识，重点研究锂硫电池、锌离子电池、超级电容器等能源材料的结构设计与可控构筑。先后在 “Angew. Chem. Int. Ed.”、“ACS Nano”、“Appl. Phys. Lett.”等国内外SCI学术期刊上发表学术论文60余篇。

王斌、王雨：桂林理工大学李新宇课题组硕士研究生。