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Chem Mater.：带电聚吡咯通道助力高性能的锂硫电池

科学材料站

2020-05-20

导读：本文作者报告了一种新的方法，将一维带电聚吡咯加入到单质硫合成的二维共价三嗪框架(cPpy-S-CTF)中，作为高性能锂硫电池电极。

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共价三嗪框架中引入带电聚吡咯通道助力高性能的锂硫电池

导读

本文作者报告了一种新的方法，将一维带电聚吡咯加入到单质硫合成的二维共价三嗪框架(cPpy-S-CTF)中，作为高性能锂硫电池电极。由于全氟芳基单质硫SNAr化学，该cPpy-S-CTF使硫负荷高达83 wt %。

值得注意的是，添加带电聚吡咯cPpy后，在cPpy- s - ctf中触发了一个3D纳米通道的形成，该通道具有对Li-PS的高亲和力锚定位点，同时具有良好的离子和电子导电性。cPpy-S-CTF具有显著的电化学性能，在0.05 C的比容量为1203.4 mA h g-1，初始库仑效率为94.1%，500循环后的容量保持率为86.8%。这些结果表明，引入带电导电聚合物可能是提高锂电池中有机硫聚合物电化学性能的普遍策略。

背景简介

1. 锂硫电池的优点

可再生能源在家庭和公共部门的大规模应用，以及电动汽车的及时和广泛普及，都要求开发低成本、高能量密度的能源储存系统。在这个方向上，理论上比能密度为2600 W h kg-1且原材料成本低的锂硫电池(Li-S)已经成为一个有希望的候选者。此外，考虑到全球硫供应过剩，单质硫的大规模利用是非常可行的，因为它是通过一种称为加氢脱硫的过程，在天然气和石油的净化过程中自然产生的。

2. 锂硫电池的缺点

锂硫电池在其广泛的实际应用方面仍有很大的差距，原因有几下几点：

(1) 锂硫化学过程是基于固-液-固转变过程的，包括单质硫和硫化锂的绝缘固相,因此单质硫和Li2S在充放电过程中会遭受界面阻力；

(2)多硫化锂(Li-PS)在电解液中的溶解，会导致在每个循环中，锂化反应产物不可避免地发生穿梭，从而影响放电电荷的可逆性；

(3)体积膨胀率高达80%，这使得保持硫电极的机械稳定性变得非常重要。

目前现存的改进方法虽然在很大程度上改善循环性能，但由于Li-PS缺乏特异性相互作用而溶解和穿梭，加之宿主与Li-PS之间的结合能较低，依然导致容量衰减，尤其是在高硫负荷下。

图1. 图片概要

核心内容

基于以上现状，Jang Wook Choi等在国际知名期刊Chemistry of Materials上发表题为“Covalent Triazine Frameworks Incorporating Charged Polypyrrole Channels for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries”的论文。Jiheon Kim为本文第一作者。

在这项工作中，作者开发出了一种三维混合聚合物复合材料，其中一维带电导电聚合物与含硫的二维共轭多孔聚合物网络混合。在单质硫存在的情况下，CTF主链的原位形成促进了沿cPpy硫域的均匀分布，并通过全氟芳基单质硫SNAr化学使高硫含量达到80%以上。值得注意的是，cPpy的掺入不仅为Li PS提供了高亲和力的阳离子锚定位点，而且还提供了良好的传导通路，加速了锂离子和电子的传输。

结果表明，2.5 wt % cPpy在新框架中的均匀分布是实现软酸N+与软碱Sn 2有效结合的最优分布。在更广泛的背景下，本研究揭示了锂电池超分子化学的潜力，其中对多硫化物阴离子的最佳结合亲和力以及结合位点的可达性是维持电极框架和实现长期循环的关键。此外，目前的策略代表了有机硫聚合物在大量的硫质量负荷下电子/离子电导率低的一个重大飞跃。本研究结果除硫阴极外，普遍适用于体积变化大、不希望溶解的电极。

图二. 以单质硫为介质，通过SNAr化学反应和逆硫化反应合成不同量cPpy的cPpy- s - ctfs。

文章链接:

Covalent Triazine Frameworks Incorporating Charged Polypyrrole Channels for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c00246

导师简介:

Jang Wook Choi Professor

Associate Professor, CBE@SNU (2017/09-present),Associate Professor, EEWS@KAIST (2012/09-2017/08), Assistant Professor, EEWS@KAIST (2010/07-2012/08), Postdoc, MSE@Stanford (2008/05-2010/07), Yen Postdoc, Chemistry@U. of Chicago (2007/08-2008/03). Research interests: Rechargeable Battery, Supercapacitor, Materials Chemistry, Polymer, Battery Management System.