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于中振教授和曲晋副教授团队在《Energy Storage Materials》期刊上发表学术论文

發文時間:2020-03-27

  近日,北京化工大学先进功能聚合物复合材料北京市重点实验室于中振教授和曲晋副教授团队在 Energy Storage Mater. (CiteScore="15.09)期刊上发表题为“Constructing mesoporous hollow polysulfane spheres bonded with short-chain sulfurs (Sx, x≤3) as high-performance sulfur cathodes in both ether and ester electrolytes”的学术论文,报道了一种新型的有机聚硫烷类锂硫电池正极材料。该材料中的硫链段长度小于等于3个硫原子,从而在充放电的过程中有效避免多硫化物的产生,显著提高锂硫电池的电化学性能。

  现有的锂离子电池由于受到电极材料本身的限制,其能量密度(通常小于250 W h kg-1)难以满足社会日益发展的需求。锂硫电池由于具有较高的能量密度(2600 W h kg-1),被認爲是最有前景的新一代儲能體系。但是硫正極材料本身導電性差以及體積效應明顯,並且在充放電過程中會産生溶于電解液的多硫化物,因而極大限制了锂硫電池的發展與應用。有機聚硫烷是一種新型的锂硫電池正極材料,其硫原子以共價鍵的形式連接在聚合物骨架上,可以有效地抑制多硫化物的穿梭效應。並且,當硫鏈段的長度小于四個硫原子時,可以從根本上抑制多硫化物的産生。本工作通過對聚硫烷前驅體材料的選取以及對硫化條件的調控,構建了一種硫鏈段長度小于等于三個硫原子的新型有機聚硫烷材料,組裝的锂硫電池表現出優異的電化學性能,尤其是在醚類和酯類電解液中均展現出良好的循環穩定性。

  與以往報道的線型高分子不同,本工作選取酚醛樹脂作爲聚硫烷的前驅體。酚醛樹脂是三維網絡狀的體型高分子,其分子鏈段的空間位阻較大,故而在硫化過程中無法容納鏈段較長的硫鏈段,因此有利于構築短鏈結構的有機聚硫烷材料。同時,采用聚合-溶解的合成方法,利用聚合度的差異性構建了多孔空心球狀結構,有利于緩解充放電過程中的體積效應。

  本工作對硫化條件進行了詳細研究,發現硫化條件對聚硫烷的分子結構以及電化學性能有著重要的影響。在硫化溫度小于250 oC的條件下,無法形成有機聚硫烷結構,此時材料表現出與單質硫相同的電化學行爲。當溫度高于250 oC時,硫鏈段以共價鍵的形式連接到聚合物骨架上,此時材料表現出有機聚硫烷材料的電化學行爲。隨著硫化溫度的提高,聚合物骨架上的硫鏈段長度逐漸變短,與此同時,材料中硫元素的含量也在逐步減少。硫化溫度相對較低時,材料構築的電池具有較高的容量和較好的反應動力學;硫化溫度相對較高時,材料構築的電池表現出優異的電化學穩定性。因此,可以通過調控硫化條件以滿足實際使用要求。此外,結合飛行時間二次質譜、XPS等表征技術,闡述了本工作中有機聚硫烷的電化學反應機理。

  本文第一作者爲博士生常偉,于中振教授和曲晉副教授爲本文通訊作者,北京化工大學爲第一完成單位。本研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助。

  

  文章信息:Wei Chang, Jin Qu, Yanqiu Sui, Qiu-Yu Ji, Ting-Ting Zhang, Xian-Zhi Zhai, Ya-Qiong Jing, Zhong-Zhen Yu. Constructing mesoporous hollow polysulfane spheres bonded with short-chain sulfurs (Sx, x≤3) as high-performance sulfur cathodes in both ether and ester electrolytes, Energy Storage Mater. 2020, 27, 426-434.

  

  全文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.12.004