中南民族大学杨应奎教授团队《Adv. Sci.》：聚合物用于锂硫电池

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锂硫电池(LSBs)因其兼具高能量密度、低成本和环境友好等优势，在消费电子、电动汽车和智能电网等下一代电源应用中前景广阔。然而，硫正极及其放电产物的电子绝缘性、多硫化物溶解导致的穿梭效应、较大体积变化和产生锂负极枝晶等系列挑战，将严重制约LSBs的实际应用。值得提及的是，聚合物因其链结构易设计、拓扑结构可调节、微观/聚集态结构可调控、物理/化学功能可调制、稳定性高等特点，有望协同解决LSBs面临的上述问题。同时，有机聚合物质量轻，资源丰富，且成膜/可加工性强，将有利于开发低成本、高能量的储能器件。近年来，科学家们已将有机聚合物应用于LSBs的电极、电解质、隔膜或粘结剂中，并取得了系列重要的研究进展。

中南民族大学杨应奎教授团队联合佐治亚理工学院林志群教授，应邀在Top期刊Advanced Science（IF 16.806）上发表了题为“Polymers in Lithium–Sulfur Batteries”的论文，系统总结了聚合物用于锂硫电池的最新进展。

本文系统综述了LSBs的工作原理和挑战，从正极、粘结剂、界面相、隔膜和电解质等方面全面概述了聚合物在LSBs中应用的最新进展（图1）。首先从分子工程的角度重点讨论了基于聚合物的硫正极包括电活性含硫聚合物和聚合物硫载体。聚合物不仅可以作为硫载体，还可以直接作为活性正极材料。通过适当的合成方法和分子工程策略，具有丰富官能团和可控拓扑结构的含硫聚合物正极有望同时实现高硫含量和强多硫化锂捕获能力。与基于普通物理吸附的非极性碳载体相比，聚合物富含极性官能团，表现出丰富的化学结合位点和更强的多硫化锂亲和性。聚合物的柔性骨架可以有效地缓冲充放电过程中硫正极的体积变化。用作硫载体的导电聚合物可以进一步提高电子电导率。与无机/硫复合材料的熔融浸渍合成相比，含硫聚合物的合成通常在更温和的条件下进行，从而能够实现硫的均匀分布。此外，由于优异的化学稳定性、成膜能力和可加工性，聚合物在粘结剂、隔膜和电解质中也发挥着关键作用。因此本文还从功能性粘结剂的设计、多功能隔膜的设计和改性、聚合物界面相的引入和聚合物电解质等方面系统总结了聚合物分子结构对抑制多硫化物溶解的影响。

图1聚合物在锂硫电池中的各种应用

本文最后对聚合物在锂硫电池中的应用和未来工作进行了总结和展望（图2）。对于含硫聚合物正极，仍需要从聚合物链长、功能连接基团、极性基团、杂原子掺杂、共轭效应和拓扑结构等方面通过分子工程方法进一步提高硫含量、多硫化锂捕获能力和结构稳定性。硫化聚丙烯腈可能是最有希望成功应用的含硫聚合物，但其准确的分子结构和反应机理以及电解质的影响仍有待进一步研究。可以将原位表征技术和理论计算相结合，监测充放电过程中聚合物的结构和形态演变，深入理解电化学反应机理。还应考虑开发可控、低成本和可大规模应用的含硫聚合物的合成方法。对于聚合物硫载体，通过调控分子结构和设计多组分纳米结构以加强对多硫化锂的捕获、增强动力学和提高硫含量，还需要在聚合物载体中加入导电碳以提高硫正极的电子导电性。对于粘结剂，可以从引入极性基团和增加粘附力等方面进行改进，对于多功能隔膜，可以通过调节孔径和引入极性基团进进一步抑制多硫化锂的溶解。同时，在正极和隔膜之间引入特定的聚合物界面层也能有效抑制穿梭影响。此外，开发具有高离子电导率、优异的机械/化学稳定性和良好界面接触的聚合物电解质被认为是完全克服多硫化物溶解的最有希望的途径。总之，具有结构和功能多样性的聚合物将拓宽实现锂硫电池成功应用的策略范围，并推动其他成本更低的金属硫电池的未来发展。

图2 聚合物提高锂硫电池性能的总结与展望

该论文第一署名机构为中南民族大学，第一作者为中南民族大学化学与材料科学学院章庆博士。工作得到国家自然科学基金(52173091, 51973235, 51902349, 51673061)、国家民委领军人才支持计划和湖北省创新群体等项目资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202103798 

点击下方“阅读原文”可下载该篇论文。

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