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材料与能源学院郭洪团队在Adv. Mater.发表高能锂硫电池新进展

2023-09-13  

近日,材料与能源学院(西南联合研究生院、云南省先进能源材料国际联合研究中心)郭洪教授团队以华体育会登录网为唯一单位,在国际期刊Adv. Mater.(影响因子29.4)上发表研究型论文“Constructing Cooperative Interface via Bi-Functional COF for Facilitating the Sulfur Conversion and Li+ Dynamics” (论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202305818)。该研究以解决锂硫电池中枝晶生长和穿梭效应两大问题为目的,设计了一种具有氰基和聚硫链双官能团活性位点的共价有机框架(COF-CN-S)作为协同功能界面来促进硫转化和锂离子动力学,实现了高性能的锂硫电池。材料与能源学院博士研究生安琪为论文第一作者,郭洪教授为通迅作者。

锂硫电池具有卓越的理论比容量(1675 mAh g-1)、成本效益和天然丰度,已被认为是下一代储能设备有前途的候选者。然而,由于锂硫电池的实际能量密度有限、循环稳定性差以及安全问题,在实际中的应用面临着严峻的挑战。这主要是由于在电池充放电循环过程中产生可溶性多硫化锂和锂枝晶的生长引起的。多硫化锂可以诱导形成穿梭效应,导致活性硫的损失和金属锂的腐蚀。此外,枝晶生长还会导致库仑效率低,循环寿命不理想,甚至电池短路。

针对锂硫电池中存在的枝晶生长和穿梭效应问题并结合前期研究基。℉ong Guo*, et. al, Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202300962; Adv. Mater., 2023, 10.1002/adma.202304511;Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202303871)。郭洪教授团队提出了一种新的分子结构设计策略来实现双功能共价有机框架,以制备协同功能界面。通过后修饰合成了具有强极性氰基和聚硫链的COF-CN-S,其中极性官能团(腈)可以通过路易斯酸碱相互作用捕获多硫阴离子。此外,氰基的孤对电子倾向于与Li+配位,进一步加速了Li+通过可逆配位键的迁移。低电负性硫也能在一定程度上阻断阴离子的传输。因此,COF-CN-S作为选择性离子筛,在原子水平上同时控制阴离子和Li+的迁移,从而实现均匀的锂沉积,减少锂枝晶的形成。另外,COF-CN-S的S-H基团作为氧化还原中心,可以化学捕获多硫化物,从而有效地抑制穿梭效应(图1)。基于此,COF-CN-S功能界面赋予了锂硫电池优异的性能,为该领域有机材料的合理设计提供了新的见解。

图1. 共价有机框架的设计及作用机理示意图

该研究成果得到了国家重点研发计划,云南省新能源重大专项、国家自然科学基金面上项目、省先进能源材料国际联合研究中心、省高校全固态离子电池重点实验室、云天化股份有限公司及华体育会登录网“双一流”学科建设项目的支持。

供稿:材料与能源学院

编辑:李哲 责任编辑:王崴


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