周豪慎：锂硫电池中引入类橡皮泥自修复纳米复合材料

bianleng

现今锂离子电池的性能已逐渐进入瓶颈，越来越难以满足社会发展的需要，因此，开发各类新型电能储存装置以取代锂离子电池已经成为解决能源问题的重要一环。其中，锂硫电池以其高理论容量（1675 mAh/g, 以终产物Li2S计）以及电极材料的廉价等突出特点获得了研究者的关注，并成为颇具竞争力的下一代电池的候选者。但是，锂硫电池体系依然问题重重，亟待解决。

撇开锂金属负极和电解液的问题不谈，硫正极本身的绝缘性、在充放电过程中的体积膨胀和多硫化锂的流失严重限制了其容量和循环稳定性的提升。为了解决这一问题，各式各样的多孔材料被用于硫的分散负载，尤其是导电性能优异的多孔碳材料。

有鉴于此，周豪慎教授课题组从另一角度出发，向锂硫电池中引入具有自修复性能的聚合物，通过与还原石墨烯（rGO）复合，同时解决了电极导电性、充放电过程中电极材料破裂和多硫化锂流失这三个方面的问题。

图1传统硫碳电极与功能化硫碳电极的对比示意图（a），以及两者的截面、放电前表面和10次循环后表面的SEM图片（传统：b、d、f；功能化：c、e、g）

作者使用具有自愈合（self-healing）性质的低交联度的有机硅聚合物（silly putty，SP）作为复合电极的主体材料，来防止充放电过程中由体积变化造成的活性材料脱落，电极结构破裂等问题。而实验结果也显示功能化的硫碳电极在充放电前后电极表面均不出现明显裂纹和孔，证明了这一设计的可行性。

但是，SP的导电性较差，单纯用SP与硫碳电极复合后会影响其电化学性能。而加入10 %质量比的rGO后，rGO-putty复合电极的极化程度明显小于SP复合电极。恒电流间歇滴定测试表明rGO-putty功能化的硫碳电极具有较高硫利用率。同时，多硫化锂的渗透实验也证明了这种复合电极有利于抑制多硫化锂的穿梭。这可能是因为复合物中存在大量的硅氧基团，它们可能与多硫化锂具有一定作用，从而阻止其穿梭。

通过对比SP和rGO-putty功能化硫碳电极的充放电循环曲线和倍率性能，我们可以发现rGO-putty功能化硫碳电极具有更高更稳定的容量（0.5 C下500周后仍有796 mAh/g，1 C下1000周后仍有596 mAh/g，每周容量衰减0.035 %）以及更加优异的倍率性能。

可能是由于篇幅限制，本文正文中的数据图不是很多，支撑材料中还有一些有趣的实验和数据来支持作者观点。

总之，本文引入具有特殊性质的高分子材料，绕开硫载体的制备而从制造保护层的角度解决硫正极存在的问题，这可能会是一个不错的研究方向。

愿大家在紧张的科研生活中吃好睡好，祝各位身体健康。

参考文献：

ChangZ, He Y, Deng H, et al. A Multifunctional Silly‐Putty Nanocomposite Spontaneously Repairs Cathode Composite for Advanced Li−SBatteries[J]. Advanced Functional Materials, 2018.

DOI:10.1002/adfm.201804777

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201804777