清華Angew. Chem. Int. Ed. : 超分子膠囊用于鋰硫電池中多硫化物可逆存儲/傳遞

【引言】

超分子材料是由有機結構單元以非共價相互作用組裝成的有序結構，其具有豐富的官能團、可調控的空間結構和環境友好的特性，吸引了廣泛的關注。受多種分子間、分子內相互作用的驅動，超分子材料組裝不僅在有機化學中有重要的意義，而且在面向未來可持續發展的大量前沿應用(如選擇性吸附和智能能源存儲)的材料設計中扮演著至關重要的角色。就儲能這一應用來說，超分子材料不僅可直接作為器件，也可用于制備電極材料。由于其優越的化學可調控性、形貌結構的多樣性和動態適應性，超分子材料在調控復雜輸運現象和反應機理等方面具有獨特的優勢。

【成果簡介】

近日，清華大學張強教授(通訊作者)等介紹了以葫蘆脲(CB)作為超分子膠囊用于鋰硫(Li-S)電池中可溶性多硫化物的可逆存儲/釋放過程，以控制多硫化物分子的溶解，并在Angew. Chem. Int. Ed.上發表了題為“A Supramolecular Capsule for Reversible Polysulfide Storage/Delivery in Lithium-Sulfur Batteries”的研究論文。使用超分子膠囊隔膜涂層的Li-S電池具有較高的庫侖效率，在4.2 mg·cm^-2硫負載量下容量由300 mAh·g^-1增至900 mAh·g^-1，性能提升明顯。超分子膠囊的應用為深入理解復雜多電子轉化反應提供了新的視角，是一種提升Li-S電池以及類似應用體系性能的高效策略。

【圖文簡介】

圖1 超分子膠囊的示意圖

a) 具有G@CB插層的Li-S電池示意圖；

b) 在適宜的CB孔道中多硫化物的可逆存儲/釋放；

c) 不同材料吸附原子暴露比的比較。

圖2 多硫化物在葫蘆脲中的吸附/解吸現象

a) CB-Li₂S₆、原始CB和溶解于DME的Li₂S₆的Raman光譜；

b) 原始CB、DME溶脹的CB、吸附/脫附了Li₂S₄的CB的XRD譜圖；

c) 多硫化物“呼吸”示意圖。

圖3 G@CB 插層的形態表征

a,b) G@CB的SEM圖像；

c) G@CB的TEM圖像；

d) G@CB的氮元素分布；

e) CB和G@CB的XRD譜圖。

圖4 材料的電化學性能比較

a) 電流密度0.5 C時的循環性能，上圖為容量，下圖為庫侖效率；

b) Li-S電池的倍率性能(硫負載量：1.0 mg·cm^-2)；

c) 電流密度0.1 C時，高硫負載量Li-S電池循環性能(硫負載量：4.2 mg·cm^-2)。

【小結】

該研究制備了一種超分子膠囊，利用超分子膠囊對多硫化物的存儲/釋放，將其用于Li-S電池。其中的超分子葫蘆脲具有豐富的暴露吸附位點，對于多硫化物具有較強的吸附能力。同時，將半徑約15 nm的葫蘆脲納米膠囊沉積于石墨烯表面，可實現動力學性能的提升。因此，Li-S電池中多硫化物的溶解擴散受到限制，即使在高硫負載率或高倍率下，性能、循環穩定性和庫侖效率仍較高。該研究是對功能超分子材料的一種新穎的嘗試，也為先進Li-S電池和類似應用的材料選擇和結構設計提供了新見解和新思路。

文獻鏈接：A Supramolecular Capsule for Reversible Polysulfide Storage/Delivery in Lithium-Sulfur Batteries?(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201710025)

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