哈爾濱工業大學張乃慶教授Adv. Sci.: 氧化還原媒介體鋰硫電池正極宿主材料的設計及其作用機制的研究

引言

鋰硫電池的多步氧化還原反應涉及硫與硫化鋰之間的復雜轉化過程，同時由于可溶性多硫化鋰中間體氧化還原動力學緩慢，很難自發地裂解成較短鏈狀的硫化鋰，造成活性物質的損失和電池內部極化現象。氧化還原媒介體是一類具有氧化還原能力的有機分子，在電池充放電過程中，其自身的氧化還原的產物可以作為氧化劑/還原劑加快電池內部活性物質的反應過程，從而實現加快電池反應動力學的效果。目前已經有許多報導將氧化還原媒介體作為電解液添加劑應用在鋰空氣電池、液流電池和鋰硫電池中。但是在鋰硫電池中，放電中間產物多硫化鋰容易溶解到電解液中，這種電解液添加劑無法抑制這種多硫化鋰在正極內的溶出造成的活性物質的損失的問題；同時小分子添加劑會造成金屬鋰的鈍化，影響鋰負極的活性。鋰硫電池的循環穩定性有待進一步提升。

成果簡介

近日，哈爾濱工業大學張乃慶教授團隊基于氧化還原媒介體的原理，設計并開發了一種不溶于鋰硫電池電解液的正極氧化還原媒介體宿主材料。文章中將3,4,9,10-苝四甲酰二亞胺（PTCDI）分子與石墨烯自組裝，形成多功能的鋰硫電池征集宿主材料。PTCDI本身具有兩對可逆的氧化還原反應，其合理的氧化還原電勢使其可以同時對鋰硫電池的充電和放電反應起到促進的作用。同時，PTCDI具有豐富的酰胺基團，可以對多硫化鋰具有較強的吸附能力，抑制穿梭效應并且提高電池的循環穩定性，可以同時促進反應動力學和提升循環穩定性。并且結合高斯理論計算和實驗現象，分析了氧化還原媒介體在鋰硫電池中的作用機制并提出了相應的作用機理。該成果以題為“Redox Mediator: A New Strategy in Designing Cathode for Prompting Redox Process of Li–S Batteries”最近發表在Adv. Sci.上。

圖文導讀

Figure 1. PTCDI/G復合材料的合成示意圖

Figure 2. PTCDI/G及PTCDI/G-S復合材料的物理表征圖

Figure 3. PTCDI/G氧化還原媒介體的作用機理及其可能發生的反應方程式

Figure 4. PTCDI/G對多硫化鋰的吸附測試

Figure 5. PTCDI/G-S復合材料的電化學性能分析

總結

這個工作首次將氧化還原媒介體材料引入到鋰硫電池正極結構的設計當中，結合PTCDI自身的氧化還原能力和豐富的酰胺基團，可以同時實現增強多硫化鋰的吸附和催化轉化的效果，提升鋰硫電池的放電容量和循環穩定性。在5C的電流密度下循環1500次的每次循環的容量衰減率低至0.009%。并且通過高斯理論模擬計算，分析了PTCDI對鋰硫電池充放電過程中的影響機制，結合實驗數據提出了PTCDI加快鋰硫電池反應的可能的機理，加深了氧化還原媒介體在鋰硫電池中的研究意義。這篇文章拓寬了鋰硫電池正極宿主材料的設計思想，為設計高性能鋰硫電池提供新的思路。

文獻鏈接：Redox Mediator: A New Strategy in Designing Cathode for Prompting Redox Process of Li–S Batteries. Adv. Sci. 2019, 1900958.

本文由哈爾濱工業大學張乃慶教授團隊供稿。

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