近日，北京化工大学材料科学与工程学院于中振教授和曲晋副教授团队与中科院化学所郭玉国研究员合作在Energy Storage Mater. (CiteScore=19.9)期刊上发表题为“A Polymer Organosulfur Redox Mediator for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries”的学术论文，报道了一种新型的具有可逆调节锂硫电化学反应的聚合物型有机硫化物改性隔膜。该材料在分子尺度上的短硫链结构，能够有效调节多硫化物的氧化还原行为，显著提高锂硫电池的电化学性能。
锂硫电池由于具有较高的能量密度(2600Wh kg-1)，被认为是最有前景的新一代储能体系。但是硫正极存在导电性差以及体积效应明显的问题，并且在充放电过程中会产生可溶于电解液的多硫化物，因而极大限制了锂硫电池的发展与应用。小分子有机硫化物可以与多硫化物发生可逆的反应，因此当其用作锂硫电池的氧化还原调节剂时，能够有效地调控多硫化物的动力学行为，实现较高的电池性能。但是小分子硫化物的可溶性以及导电性差，并不能从根本上杜绝多硫化物的穿梭效应，其仍然限制锂硫电池性能的进一步提高。本工作通过构建具有短硫链结构的不溶性聚合物型有机硫化物以有效避免小分子有机硫化物的弊端，并显著提高锂硫电池的电化学性能。
本工作通过模板法协同丙酮选择性刻蚀和反转硫化法，构建了一种具有介孔yolk-shell结构的纳米管状硫化碳纳米管@酚醛树脂复合物(sCA)。得益于体型交联酚醛树脂的位阻效应，可以获得硫原子数少于等于3的短硫链结构(Small 2021, 2101857; Energy Storage Mater. 2020, 27, 426-434)。短硫链结构在充放电过程中，C-S键能够可逆的与Li2Sx (x=1-8)反应，从而调节多硫化物的电化学转变过程；同时，其也能够与锂离子相互作用，起到抑制锂枝晶的作用。此外，yolk-shell结构有利于电子以及锂离子的传输，并能够物理阻隔多硫化物的扩散，而分子结构中的N，O等杂原子既可以起到化学吸附多硫化物的作用，又可以与锂离子作用促进锂离子的均匀分布，从而起到稳定锂金属的效果。因此，当sCA复合物用作PP隔膜涂层时，电池性能表现突出。所组装的锂硫电池在0.5C以及2.0C条件下分别循环充放电200次以及1000次后，容量保持率为93%以及87%；同时改性隔膜电池在4.0 C倍率下依然可展现790 mA h g-1的可逆容量。此外，结合密度泛函理论计算及原位XRD等表征技术，证实了本工作中短链硫的电化学调控机理。上述基于有机硫化物短硫链结构精准设计的系统工作，对开发新型短硫链有机硫化物提供了可借鉴策略，有助于新型锂硫电化学反应催化剂的开发。
本文共同第一作者为刘毓皓硕士和常伟博士，于中振教授、郭玉国研究员和曲晋副教授为本文通讯作者，北京化工大学为第一完成单位。本研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。
文章信息：Yu-Hao Liu, Wei Chang, Jin Qu, Yan-Qiu Sui, Yasmine Abdelkrim, Hong-Jun Liu, Xian-Zhi Zhai, Yu-Guo Guo, Zhong-Zhen Yu. A polymer organosulfur redox mediator for high-performance lithium-sulfur batteries, Energy Storage Mater. 2022, 46, 313-321.
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.01.021
