【能源】东北大学张鹏副教授、河南大学赵勇教授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- 大数跨境

【能源】东北大学张鹏副教授、河南大学赵勇教授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

X-MOL资讯

2025-01-03

导读：东北大学的张鹏副教授与河南大学的赵勇教授提出了一种基于多功能液相催化剂的协同策略。

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未来电化学储能技术的主要候选者之一。长期以来，绝缘S₈和Li₂S的缓慢反应动力学以及多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应被认为是锂硫电池中高极化、低库伦效率和寄生反应的根本原因，导致电池的低倍率性能和较差的循环寿命。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提出了一种基于多功能液相催化剂的协同策略。该研究首先通过引入了一种独特的氧化还原介质(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)，可调节硫物种氧化还原的多个反应步骤，包括还原S₈、调节Li₂S成核并同时氧化Li₂S；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。这项工作成功实现了有高效利用 RM 介导功能并同时通过隔膜改性消除其穿梭效应，这一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。

图1. RM分子在加速硫物种氧化还原中的作用

图2. RM分子介导Li₂S 3D沉积探究

图3. 隔膜改性及其功能探究

图4. GO-g-PSSLi@PP与乙基紫精的协同效应表现

图5. 增强机理分析

图6. 电池性能测试

总之，本文提供了一种通过多功能RM分子 (电正性、介导电子转移) 与末端含有-SO₃^-基团的电负性功能化PP隔膜 (抑制穿梭效应、介导锂离子传输) 的协同策略，使得硫物种转化的势垒大大降低（S₈→Li₂S₄→Li₂S₂→Li₂S→Li₂S₂→Li₂S₄→S₈），特别是对于Li₂S成核过程。最终在5 mg cm^-2的高S负载和6 μL mg^-1的低E/S比下，协同策略使商用的CNTs基硫正极提供了更高的放电容量（1006.93 mAh g^-1）和更长的循环寿命。该研究为多功能RM的设计提供了重要指导，并为开发协同策略系统解决涉及中间体的转换型电极的复杂电化学问题提供了重要参考。

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章的第一作者是东北大学硕士研究生靳伟华和郭云鹏。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

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

Weihua Jin, Yunpeng Guo, Taorong Gan, Zhengyuan Shen, Xuebing Zhu, Peng Zhang, Yong Zhao

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202420544

通讯作者简介

张鹏副教授简介：2016年7月博士毕业于中科院兰州化学物理研究所；2016年7月—2021年6月，先后在河南大学、武汉大学、南方科技大学等单位工作和从事博士后研究工作；2021年7月至今在东北大学理学院工作。

主要研究方向：主要从事储能领域的膜反应研究，包括电池领域的新型隔膜、高活性电极界面保护膜和膜反应器中的化学反应和离子传输机制等。迄今为止，在Journal of American Chemical Society、Chemical Society Reviews、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Journal of Energy Chemistry和Energy Storage Materials等期刊，发表40余篇SCI论文，含ESI高被引论文2篇，6篇文章引用超100。近年作为骨干成员参与多项国家自然科学基金；主持多项国家和省级自然科学基金。

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 Communications、Journal of the 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。

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