上海大学陈双强、悉尼科大孙兵、成都理工陈显飞， Small：导电聚合物包覆层状双金属氢氧化物作为柔性锂硫电池的新型储硫层

第一作者：董行行

通讯作者：陈双强*，孙兵*，陈显飞*。

单位：上海大学，悉尼科技大学， 成都理工大学。

锂硫电池(LSBs)因其理论容量高、成本低而被广泛认为是最有前途的下一代储能系统。然而，纯硫电极的电子导电性差和充放电过程中产生的“穿梭效应”导致了较大的极化、严重的过充行为和快速的容量衰减，这些问题严重阻碍了锂硫电池的实际应用。迫切需要宿主材料增强对多硫化物的物理和化学吸附能力，抑制穿梭效应和提升氧化还原动力学具有至关重要的意义。

层状双金属氢氧化物（LDH）具有较强的催化性，可以加速多硫化物的氧化还原反应；其表面丰富的羟基基团可以有效的减少多硫化物在电解液中扩散，有利于电极的润湿性和稳定性。然而，层状双金属氢氧化物差的电子导电性和容易堆叠的缺陷限制了它的应用。因此，构筑导电聚合物包覆的层状双金属氢氧化物负载硫正极，可以提高复合电极本身的导电性和吸附多硫化物能力以满足锂硫电池的实际应用。

基于此，上海大学陈双强教授与悉尼科技大学孙兵研究员、成都理工大学陈显飞研究员合作，在Small上发表题为“Conductive Polymer Coated Layered Double Hydroxide as a Novel Sulfur Reservoir for Flexible Lithium-Sulfur Batteries”的研究论文。该工作提出了空心层状双氢氧化物(LDH)上涂覆聚吡咯(PPy)薄膜合成了一种新型储硫层(PPy@LDH)。

在层状双金属氢氧化物表面涂覆聚吡咯薄膜不仅可以保证其结构完整性，并且能够提高层状双金属氢氧化物的电子导电性。独特的结构为充放电过程中体积的变化提供了足够的空间，并且层状双金属氢氧化物表面的羟基和聚吡咯表面的极性基团对多硫化物有很强的吸附作用，抑制多硫化物的穿梭。如此独特的结构设计加速了多硫化物的氧化还原动力学，加速了硫化锂的成核和分解，从而获得优异的电化学性能。并且为高效的锂硫电池的设计提供了思路。该工作还得到了文温州大学肖遥教授、上海大学王勇教授，悉尼科技大学汪国秀教授的指导与帮助。

图1.材料结构设计，原位xrd、拉曼光谱图以及DFT计算展示。

通过密度泛函理论计算独特结构设计的PPy@LDH宿主材料对Li₂S₆具有更高的吸附能，抑制多硫化物的穿梭，加速多硫化锂向硫化锂（Li₂S）的转变方便了液固的转变和Li₂S的成核。PPy包覆之后的LDH材料的电子导性得到了提高，有利于快速的电子传导，提高电化学性能。PPy@LDH宿主材料内置电场促进电子传导加速多硫化物的氧化还原反应。

图2. a)锚定前Li₂S₆的原子结构。b) NC, c) NiCo-LDH和d) PPy@LDH锚定的Li₂S₆稳定吸附构型的顶视图（上）和侧视图（中），以及对应的Li-S和S-S对应的键长 (下)。总态密度e) NC, f) NiCo-LDH和g) PPy@LDH。h) NC, i) NiCo-LDH和j) PPy@LDH锚定的Li₂S₆电荷密度的俯视图和侧视图。

要点二：对多硫化物的吸附和催化性能的研究

作为硫的宿主材料PPy@LDH有效地增强了锂硫电池的电化学性能。PPy@LDH宿主材料结合了PPy的强吸附能力和LDH的催化活性，可以同时实现对多硫化物的强有力锚定，快速扩散和高效转化。PPy@LDH宿主材料的界面接触保证了多硫化物从捕获位置向导电基质的快速扩散，从而加速了氧化还原动力学，促进了不溶性硫化锂的形核和沉积。

图3. a) Li₂S₆溶液被PPy@LDH、NC和NiCo-LDH宿主材料吸附的UV-vis光谱和光学图像(插图)。b)基于不同电极的对称电池的CV曲线。c) Li₂S氧化测试。d) PPy@LDH对Li₂S₆吸附前后的Li 1s和e) S 2p的变化。f)不同电极的EIS光谱。g-i) Li₂S沉积测试。

要点三：材料在充放电过程中多硫化物相演化

原位XRD和Raman等表征技术揭示了材料在充放电过程中多硫化物相演化。PPy@LDH宿主材料在锂硫电池中作为硫正极宿主时加速了多硫化物的氧化还原反应并且表现出良好的可逆循环性，反应过程经历了α-S₈ → LiPSs → Li₂S → LiPSs → β-S₈的转变，并且在拉曼测试中发现了Li₂S₆、Li₂S₄、Li₂S的生成和消失，还原了整个锂硫电池反应过程中相的变化。

图4. a) PPy@LDH-S电极的原位XRD测试。b) PPy@LDH-S电极的原位拉曼测试。c-e) NC、LDH和PPy@LDH对多硫化物的吸附和催化示意图。

要点四：电极材料出色的电化学能力

PPy@LDH-S电极在电化学性能测试中展现出了优异的容量性能(907.2 mAh g⁻¹，1 C)和超高的循环稳定性(每循环0.06%的衰减率，500圈)。在高的负载量时仍然具有优异的电化学性能。同时，采用PPy@LDH-S电极的软包电池提供了出色的比容量（1150 mAh g⁻¹，0.1C），并可以在不同弯折程度下进行平稳地提供电能。

图5. a) CV曲线，b)不同电极倍率性能。c) PPy@LDH-S电极在不同电流密度下的电压分布。d)不同电极在0.5C下的可循环性分析。e)不同含硫量的PPy@LDH-S电极的长循环性能。f) 0.1 ~ 0.6 mV s^-1扫描速率下PPy@LDH-S电极的CV曲线。g)图3f中A1、C2、C1峰的Ip/V^0.5值。h) 与以前文章比较。

图6. a)软包电池示意图。b)在0.1 c时高硫负荷2.8 mg cm^-2的软包电池电压分布。c)软包的循环性能。d)展示了不同角度下软包电池的折叠过程。

Conductive Polymer Coated Layered Double Hydroxide as a Novel Sulfur Reservoir for Flexible Lithium-Sulfur Batteries

DOI: 10.1002/smll.202300843

陈双强（教授、博导）博士毕业于悉尼科技大学，现就职于上海大学-环境与化学工程学院，主要研究方向为介孔碳材料、拓扑结构设计、无机/有机材料制备及其在可充电电池、电催化、气体传感器等方面的应用。

迄今，发明专利授权4项，发表论文90余篇，以第一或通讯作者发表论文包括Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Advanced Energy Materials, ACS Nano, Advanced Science, Small, Nano Energy等，被引次数超过7000次，h指数分别为43和7篇论文入选ESI高被引论文；入选全球前2%顶尖科学家榜单--2019年度科学影响力排行榜（纳米科学与技术方向）。

2015年入选德国--洪堡学者，2017年入选上海市--东方学者，2018年入选Joule杂志新星奖。以副主编身份撰写专业教材1本：《碱金属电池关键材料基础与应用》（2021年，化学工业出版社，主编：王勇，副主编：陈双强、刘浩）。他还受到澳洲清洁能源研究中心、国家自然科学基金—面上项目（2项、主持）、上海市教委、上海大学等多项基金的资助，并多次受邀在国内外会议上作邀请报告。

 以第一作者或通讯作者在ACS Applied Materials & Interfaces  、Journal of Physical Chemistry C、Applied surface science等国际SCI学术期刊上发表论文10余篇。受邀成为ACS Applied Materials & Interfaces，Journal of Physical Chemistry Letters，Applied Surface Science，Physical Chemistry Chemical Physics等SCI期刊的论文评审人。

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