構(gòu)建雙功能非對稱型纖維素凝膠電解質(zhì)同時抑制穿梭效應和枝晶生長

研 究 背 景

隨著電子儲能設備的日益更新?lián)Q代以及電動汽車領域的發(fā)展，鋰硫電池具有超高的比容量（1675 mAh/g）和超高的能量密度（2600 Wh/kg）受到科研人員的廣泛關(guān)注。但硫正極的多硫化物穿梭效應和鋰負極的界面不穩(wěn)定是阻礙高能量密度鋰硫電池商業(yè)化的主要技術(shù)問題，單純解決多硫化物穿梭或者鋰枝晶生長的問題會導致存在安全隱患或電池壽命較短的不足。同時商業(yè)電解液的泄露問題也是實際應用過程需要重點關(guān)注的焦點。開發(fā)固態(tài)/凝膠電解質(zhì)在高性能鋰硫電池具有重要的研究意義。

文 章 簡 介

基于此，南京林業(yè)大學付宇課題組在國際知名期Small上發(fā)表題為“Simultaneously Suppressing Shuttle Effect and Dendrite Growth in Lithium–Sulfur Batteries via Building Dual Functional Asymmetric-Cellulose Gel Electrolyte”的觀點文章。該文章制備了一種非對稱型纖維素電解質(zhì)來解決鋰硫電池中的穿梭效應以及鋰枝晶生長的問題，為生物質(zhì)材料在鋰硫電池的應用提供了新的思路。

圖1 非對稱纖維素凝膠電解質(zhì)的設計思路

本 文 要 點

要點一：UiO66/BP異質(zhì)結(jié)的缺陷離子化工程在之前的工作中，我們團隊已經(jīng)利用油水界面自組裝的方法制備了UiO66/黑磷異質(zhì)結(jié)（Chemical Engineering Journal, 2023, 454: 140250），但異質(zhì)結(jié)對于多硫化鋰的催化性能仍然不滿意，因為MOF 材料對于多硫化物的吸附和催化性能較差。為此，我們對異質(zhì)結(jié)中的UiO66進行了缺陷化和離子化的處理，缺陷化使得UiO66暴露更多的金屬Zr位點，提升了MOF的催化活性；離子化工程則使得配體氨基官能團季銨鹽陽離子化，使得MOF能通過靜電吸附效應捕獲負電荷的多硫根離子。通過電化學測試表明多硫化鋰在異質(zhì)結(jié)界面上實現(xiàn)快速吸附-催化-轉(zhuǎn)化的過程，有效地抑制了多硫化鋰的穿梭效應。

圖2 多硫化鋰在異質(zhì)結(jié)界面的吸附和催化轉(zhuǎn)化機理圖 要點二：陽離子型纖維素電解質(zhì)穩(wěn)定鋰金屬負極針對纖維素電解質(zhì)鋰離子遷移數(shù)低而無法誘導離子在負極表面均勻沉積的過程，我們組提出了一種基于靜電吸附機理的策略來提升鋰離子遷移數(shù)。在纖維素網(wǎng)絡中引入的季銨鹽-N+(CH3)3官能團能通過靜電作用吸附電解質(zhì)中的陰離子，限制了陰離子的運動，從而使得纖維素的鋰離子遷移數(shù)高達0.79。通過鋰對稱電池也證明陽離子型纖維素電解質(zhì)有效穩(wěn)定了鋰負極，實現(xiàn)了長時間鋰電鍍/剝離過程中的平穩(wěn)過電位。

圖3 陽離子型纖維素電解質(zhì)QACA對于鋰負極穩(wěn)定性測試及機理 要點三：抑制穿梭效應和枝晶生長的測試將缺陷離子化的Di-UiO66/BP異質(zhì)結(jié)通過真空抽濾到陽離子型纖維素電解質(zhì)表面，組裝電池并評估了非對稱纖維素電解質(zhì)對于鋰硫電池電化學性能提升的影響。結(jié)果表明非對稱電解質(zhì)能同時抑制多硫化鋰的穿梭效應和鋰枝晶的生長，鋰硫電池在1000圈循環(huán)后仍保留383.9mAh/g的高比容量，每圈容量衰減率僅為0.053%。

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審核編輯 ：李倩