N、O雙原子抑制多硫化物穿梭效應隔膜

2020-12-22 電化學能源

【鋰硫電池】ACS Appl. Mater. Interfaces：N、O雙原子抑制多硫化物穿梭效應隔膜

鋰硫電池因高的理論比容量和能量密度而備受關注。但是，在使用過程中，長鏈的多硫化物中間產物（Li2Sx, x= 4, 6, 8）會溶解於電解液當中，從正極材料中脫落下來，穿過多孔的隔膜，到達電池負極，造成活性材料的流失、電極結構坍塌。這一過程被稱為「多硫化物穿梭效應」，是限制鋰硫電池發展的關鍵因素。為了解決這一問題，許多研究者致力於硫正極的設計，電解液調控和隔膜的修飾從而抑制「多硫化物穿梭效應」。但目前文獻報導的塗層/夾層修飾隔膜往往會堵塞隔膜孔徑，一定程度上限制鋰離子的傳輸，增加了電池內阻。因此開發新型的隔膜材料，在不影響鋰離子傳輸的前提下，調控多硫化物轉化行為，成為一類有益的鋰硫電池隔膜改性思路。重慶大學魏子棟教授、李存璞副教授等報導了一種基於嗎啉N、O雙原子化學吸附、可以有效抑制「多硫化物穿梭效應」的鋰硫電池隔膜,實現對各類多硫化物的等效俘獲。

N、O雙原子抑制多硫化物穿梭效應隔膜

文章要點：

1）多硫化物Li2Sx的x越小，Li-S鍵越接近離子鍵，即鋰的酸性越硬，這一Li本身的酸性硬度變化使得基於單一元素的化學吸附，難以實現對各類多硫化物的等效俘獲。

2）嗎啉含有N和O兩個雜原子，其中電負性更大的O原子電荷集中，電子云硬度大；而電負性較小的N原子電荷分散，電子云硬度小。在兩種原子的調控作用下，實現了對不同硬度多硫化物的等效吸附。

3）單元子（N或O）吸附與各級多硫化物之間的結合能較弱，差值亦較大；而嗎啉則可以等效的吸附三種多硫化物（Eb ≈-1.5 eV）。當長鏈多硫化物經過嗎啉一側時，嗎啉中的N、O雜原子將抓捕其至嗎啉船式構象中間，形成雙原子吸附

4) 在隔膜上引入具有N、O兩種雜原子的嗎啉作為多硫化物調控單元，實現了可溶多硫化物的等效化學吸附，將可溶性多硫化物限制在正極側，保證了Li2S8, Li2S6和Li2S4之間的液-液轉化和後續的Li2S4的液固轉化能夠有效進行，實現了鋰硫電池的高倍率、可持續充放電.

文章信息：

Investigation of a Separator to Grasp Polysulfides with Diatomic Chemisorption.（ACS Applied Materials & Interfaces, 2020. DOI: 10.1021/acsami.0c04554）

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