唐伟教授、孟颖教授、Loh Kian Ping教授 Angew：密堆积多孔共价聚合物作反应型宿主材料用于高性能锂硫电池- 大数跨境

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唐伟教授、孟颖教授、Loh Kian Ping教授 Angew：密堆积多孔共价聚合物作反应型宿主材料用于高性能锂硫电池

科学材料站

2021-03-16

导读：本文通过熔融聚合的方法得到紧密堆积的具有氧化还原活性的多孔共价聚合物用于高性能的锂硫电池。

文章信息

密堆积多孔共价聚合物作反应型宿主材料用于高性能锂硫电池

第一作者：王晓伟

通讯作者：唐伟*，孟颖*，Loh Kian Ping*

单位：西安交通大学，加州大学圣地亚哥分校，新加坡国立大学

研究背景

锂硫电池被认为是最具前景超过当前锂离子电池的储能体系之一，然而其商业化进程遭遇一些瓶颈问题，诸如正极较低的硫负载、高电极孔隙率（电解液过量）、多硫化物的不可控电沉积、以及硫和硫化锂的缓慢的动力学。

文章简介

近日，新加坡国立大学的Loh Kian Ping教授和加州大学圣地亚哥分校的孟颖教授、西安交通大学的唐伟教授合作，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Dense-stacking porous conjugated polymer as reactive-type host for high performance lithium sulfur batteries”的研究文章。

本文通过熔融聚合的方法得到紧密堆积的具有氧化还原活性的多孔共价聚合物用于高性能的锂硫电池。

图1. 密堆积多孔共价聚合物合成、氧化还原诱导多硫化锂沉积机理、以及聚合物/硫复合电极的锂硫电池性能。

本文要点

要点一：密堆积多孔聚合物

该多孔聚合物硫宿主材料在锂硫电池的应用中具有独特优势。其保持了本征的多孔性而具备高表面积（302 m2 g-1），这样利于硫的均匀分散，实现高硫载量；同时，熔融聚合得到的该密堆积的块状聚合物具有较高的堆积密度（~1.60 g cm-3），从而与硫复合可以获得高振实密度、低孔隙率（40%，未辊压）的锂硫正极，解决锂硫电池电解液过量的问题。

要点二：氧化还原诱导多硫化锂电化学沉积

其次，该聚合物的氧化还原活性区间与硫相匹配，可以调控多硫化锂的沉积。通过宿主材料在多硫化锂电解液的充放电测试和不同状态下材料的XPS表征可以得到，多硫化锂倾向于锂化聚合物的N活性位点，可以形成稳定的聚合物/多硫化物吸附结构，不同于常见的物理吸附和化学吸附。

DFT 理论模拟计算也表明以上结果。因此，该块状聚合物就可以诱导Li2S和S的成核（放电和充电），得到Li2S和S的优化纳米结构型貌。既可以降低放电产物的反应活化能加速其动力学，又避免了多硫化锂在正极表面沉积，减少硫活性材料的损失。

要点三：块状固硫宿主材料

紧密堆积提高聚合物的化学稳定性和导电性，并缓解硫正极循环中的体积膨胀问题，提高锂硫电池的循环稳定性。

该块状聚合物材料不同于常规纳米固硫材料，拥有更大的多硫化物沉积模板，更快的电子离子传输通道，绕开了纳米材料粒子间接触阻碍的电荷传导问题，也更好的保持硫正极材料的结构稳定性。

要点四：实际高能量密度锂硫电池

最终，基于该聚合物宿主材料制备的振实高负载聚合物/硫正极（~15 mgs cm-2, 200-μm 厚度），在贫电解液（5 μl mgs-1）下表现出超高面容量（~14 mAh cm-2）、优异的倍率性能和优异的循环稳定性。

通过进一步的放大测试，在贫电解液下（3 g Ah-1）组装了实测高能量密度的锂硫软包电池（303 Wh kg-1/392 Wh l-1），验证了该材料优异的应用前景。该工作为解决高实际能量密度锂硫电池的固有问题提供了一种新策略。

文章链接

Dense-stacking porous conjugated polymer as reactive-type host for high performance lithium sulfur batteries”

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202016240

通讯作者介绍

唐伟教授。

西安交通大学教授、博士生导师，陕西省青年高层次人才以及西安交大青年拔尖人才（A类）。团队长期从事电化学储能以及新能源材料的研究工作，研究兴趣包括液态/全固态锂金属电池、锂硫电池、锂/钠/钾离子电池以及通过电催化转化实现二氧化碳等高值化利用。唐博士的工作致力于材料开发、以及利用多种原位检测手段对于材料的储能效用进行评价，以此来辅助对于材料的进一步改性和性能提升，先后国际顶级期刊发表学术论文50篇，其中第一/通讯作者20余篇，包括J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed、Joule、 Adv. Mater.、Nano Lett.、Energy Environ. Sci.、Energy Environ. Mater.、Nat. Energy (评论)等。4篇论文入选ESI高引论文，1篇论文入选中国百篇最具影响力论文，文章总他引3000余次，H值31。

孟颖教授。

美国加州大学圣地亚哥分校(UCSD)纳米工程系及能源技术Zable荣誉首席教授，美国电化学学会成员，能量储存及转化实验室(LESC)的首席研究员，可持续电力和能源中心(SPEC)的创始主任，以及材料设计与探索研究所(IMDD)的首任主任，迄今已在Nature, Science, Nature Energy, Nature Materials, Joule, Energy & Environmental Science, Journal of American Chemical Society, Angewandte Chemie等国际著名学术期刊上发表200余篇同行评议论文，两部专著章节和六项专利，获得过多项著名奖项，如英国皇家学会迈克尔·法拉第勋章，国际电池协会(IBA)电池研究奖, 美国化学会ACS应用材料和界面青年研究者奖，能量储存及创新国际联盟(ICESI)就职青年职业奖，国际材联-新加坡青年科学家奖，电化学学会C.W.Tobias青年研究者奖，巴斯夫大众电化学科学奖和美国国家科学基金会(NSF)职业奖等。

Loh Kian Ping 教授。

新加坡国立大学化学系教授（Provost’s Chair Professor），1996年于牛津大学获得博士学位，1996年至1998年在日本国家材料科学研究所（NIMS）从事博士后研究，随后就职于新加坡国立大学，为终身正教授。Loh Kian Ping教授领导研究团队取得了丰硕的成果，其中包括研发了大尺寸石墨烯的仿生生长与转移技术，大尺寸石墨烯的商业化应用；同时致力于新一代的半导体材料研发，实现了石墨烯量子点与高张力石墨烯的可控合成；首次研制成功的世界最薄的石墨烯宽波段偏振器等。Loh Kian Ping教授在2010年被评为学院首席教授。2013年获得美国化学会 (ACS) NANO lectureship 奖。2014年获得新加坡“总统科学与科技奖”。至今为止，已经发表300余篇SCI论文，包括Nature、Nat. Mater.、Nat. Nanotechnol.、Nat. Chem.、Nat. Energy.、Nat. Photonics.、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Sci. Adv. 等。Loh Kian Ping教授担任美国化学协会杂志Chemistry of Materials副主编，英国物理所杂志Journal of 2D Materials的副主编, 杂志 Materials Horizon的科学编辑，Elservier 杂志 Diamond and Related Materials的编辑，以及杂志Advanced Functional Materials国际顾问委员会成员。

第一作者介绍

王晓伟，新加坡国立大学综合科学与工程学院博士。

第一作者指导老师Loh Kian Ping教授。2018-2019年于美国加州大学圣地亚哥分校(UCSD)纳米工程系能量储存及转化实验室(LESC)访问学习，指导老师孟颖教授。主要研究方向为有机氧化还原材料设计开发、聚合物电解质、碱金属离子电池电极材料、水系有机液流电池、锂硫电池、多价金属离子电池（锌镁铝）、原位电池表征技术等。

课题组介绍