近日，北京化工大学张胜教授，孙军副教授团队在国际知名期刊Small (影响因子：15.153) 上发表题为“A Facile Immobilization Strategy for Soluble Phosphazene to Actualize Stable and Safe Lithium-Sulfur Batteries”的研究工作。本文创造性地提出了六氯环三磷腈(HCCP)的简单固定策略来同时改善锂硫电池电化学性能和安全性。选用单宁酸作为交联剂在室温下获得不溶性交联微球(H-CMP)，并基于H-CMP构建多功能隔膜涂层。H-CMP在宽温度下释放的含磷自由基，以及磷腈与单宁酸在高温下发生的成炭反应共同作用有效地防止了电解液和隔膜的燃烧，进而有效增强了锂硫软包电池的防火性。此外，H-CMP通过化学吸附来阻断多硫化锂(LiPSs)的穿梭效应，从而显著提高电化学性能。该策略的有效性也在高硫负荷(6.38 mg cm-2)，高温(50oC)和软包电池中得到了验证。
锂硫电池因其高能量密度和丰富的硫资源而受到广泛关注。然而，锂硫电池的大规模应用依然存在诸多问题，例如：因为LiPSs穿梭效应而电化学性能较差；因为采用易燃的醚基电解质和聚烯烃隔膜而具有潜在火灾隐患。因此，迫切需要开发出一种多功能的材料来同时克服上述问题，以开发高安全、高性能锂硫电池。本工作中，在室温下可简易合成的H-CMP为不溶性微球，可以兼容构筑隔膜涂层的连续浆料涂覆工艺，这有潜力进行大规模制造。与HCCP相比（几乎没有残炭），H-CMP的残炭在800oC后升高至48.9%，这表明在高温下，H-CMP中的磷腈和交联剂单宁酸之间存在有效的成炭反应。增强残炭作为热量和氧气的屏障有利于在火灾中保护隔膜。并且H-CMP在宽温度下的磷相关自由基反应将有效湮灭电解液在高温下产生的活泼自由基从而阻断电解液的燃烧。基于H-CMP的涂层存在时，浸润电解液的隔膜的自熄时间显著降低，有效防止了聚丙烯隔膜在火灾中被烧毁。进而使得锂硫软包电池在点燃后可以自熄。此外，改良的软包电池在反复弯曲后表现出抗机械滥用能力，不会短路。
H-CMP对LiPS的高效化学吸附源于偶极子-偶极子相互作用和亲核取代反应两种机制。导电炭黑(SP)被同时引入涂层以提高涂层的导电性使得被吸附的LiPSs重新参与电化学反应。因此，在H-CMP@SP涂层存在时，为LiPSs提供了稳定的吸附和再生位点，锂硫电池的循环稳定性得到显著改善。而未固定的小分子HCCP不能有效改善循环性能，因为HCCP在循环过程中会持续溶解于电解液，这还导致了锂金属负极的腐蚀。此外，在H-CMP@SP涂层存在下，锂硫电池的倍率性能也得到显著提高，这种显著的优化归因于涂层对电子和离子传导的双向改进。有趣的是，H-CMP@SP涂层的带来的优异电化学性能在高温下，高硫载量和锂硫软包电池中也得到了保持。因此，本工作为构建具有高能量密度和高安全性的锂硫电池提供了一种可行度高的解决方案。
该文章第一作者为北京化工大学材料学院博士研究生朱涛，孙军副教授和张胜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：Tao Zhu, Dongli Chen, Guoqing Liu, Peng Qi, Xiaoyu Gu, Hongfei Li, Jun Sun*, Sheng Zhang*. A Facile Immobilization Strategy for Soluble Phosphazene to Actualize Stable and Safe Lithium–Sulfur Batteries, Small, DOI: 10.1002/smll.202203693
全文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202203693
