阻燃隔层助力高安全性、长寿命锂硫电池

【研究背景】

由于理论能量密度高、资源丰富、对环境友好等优势，锂硫电池被认为是最有潜力的新一代高能量密度电池器件之一。然而，电池充放电过程中中间产物多硫化物的“穿梭效应”会导致电池容量快速衰减，严重阻碍锂硫电池的商业化应用。近年来，随着固硫化学的发展和硫电极结构的逐步优化，锂硫电池技术已经取得了长足的进步。但由于电解液中有机溶剂的可燃性、锂枝晶形成和碳硫混合物的低着火温度，使锂硫电池的安全性问题成为阻碍其实际应用的关键。因此，如何在提高锂硫电池电化学性能的同时来改善其安全性变得非常重要。

【工作介绍】

近日， 南京理工大学化工学院朱俊武教授团队在高安全性、长寿命锂硫电池领域取得研究进展，创新设计了多功能阻燃隔层材料，其自身组分间的强耦合作用，不仅能提升其结构稳定性，而且优异的阻燃特性还能增加硫正极的安全性。此外，电池充放电过程中中间产物多硫化物一旦形成，就会被阻燃隔层化学捕获，进而有效抑制多硫化物的“穿梭效应”，最终获得高安全性且循环稳定性优异的锂硫电池，解决了锂硫电池安全性和电化学性能不能同时兼顾的问题。相关研究成果以“Strong chemical interaction between lithium polysulfides and flame-retardant polyphosphazene for lithium-sulfur batteries with the enhanced safety and electrochemical performances”为题，发表在国际材料类顶级期刊Advanced Materials上（DOI:10.1002/adma. 202007549），博士生陈鹏为论文的第一作者，朱俊武和付永胜为共同通讯作者，该工作得到了汪信教授、陆路德教授和欧阳晓平院士的指导。

【内容表述】

在该工作中，团队将阻燃材料创新性的引入锂硫电池的研究中，设计了多功能阻燃隔层材料，为同时提高锂硫电池的安全性和电化学性能提供了一种全新的策略。如图1所示，该工作使用简单的浸渍辅助焙烧方法在多孔石墨烯/碳化纤维素纸表面通过自由基加成反应修饰一层具有阻燃性能的聚磷腈，组分间的强耦合作用不仅能提升自身的结构稳定性，还能确保其优异的导电性，使其可以同时作为锂硫电池的阻燃隔层和“副电极”，在容纳硫和电解液之后仍然具有很好的阻燃性能，提升锂硫电池的安全性。阻燃隔层中聚磷腈丰富的P-Cl键可与多硫化物自发发生亲核取代反应，形成P-S共价键。因此，充放电过程中多硫化物一旦形成，就会被阻燃隔层化学捕获，从而有效地抑制其“穿梭效应”，提高锂硫电池的循环稳定性。此外，阻燃隔层优异的导电性还能提高电池电化学反应动力学，从而提高电池倍率性能。该工作为兼具长寿命和高安全性的锂硫电池提供了切实可行的策略，有助于推进锂硫电池的商业化进程。

图1 聚磷腈修饰的多孔石墨烯/碳化纤维素纸作为锂硫电池阻燃隔层的性能、抑制“穿梭效应”机制、阻燃机理图

Peng Chen, Zhen Wu, Tong Guo, Yan Zhou, Mingliang Liu, Xifeng Xia, Jingwen Sun, Lude Lu, Xiaoping Ouyang, Xin Wang, Yongsheng Fu, Junwu Zhu, Strong Chemical Interaction between Lithium Polysulfides and Flame-Retardant Polyphosphazene for Lithium-Sulfur Batteries with Enhanced Safety and Electrochemical Performance, Adv. Mater., 2021, DOI:10.1002/adma.202007549