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南林付宇教授課題組《Small》:雙功能非對稱纖維素凝膠電解質來同時抑制鋰硫電池體系的穿梭效應和枝晶生長
2023-04-10  來源:高分子科技

  隨著電子儲能設備的日益更新換代以及電動汽車領域的發展,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注。但硫正極的多硫化物穿梭效應和鋰負極的界面不穩定是阻礙高能量密度鋰硫電池商業化的主要技術問題,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。針對上述問題,近日,南京林業大學付宇教授報道了一種雙功能非對稱纖維素凝膠電解質來同時抑制多硫化鋰穿梭效應和枝晶生長的問題,為制備高性能鋰硫電解質提高了新思路。


非對稱纖維素凝膠電解質的設計思路


  在之前的工作中,該團隊報道了一種纖維素凝膠電解質(Carbohydrate Polymers, 2022, 296: 119950)以及UiO66/黑磷的異質結(Chemical Engineering Journal, 2023, 454: 140250)的制備方法。在此基礎上,為了進一步提升MOF UiO66對于多硫化鋰的吸附和催化性能,提出了一種缺陷和離子化的策略來處理UiO66/黑磷異質結。同時為了提升纖維素電解質的離子遷移數來誘導鋰的均勻沉積過程,提出了陽離子改性纖維素電解質的策略。結果表明,UiO66的離子化工程使得UiO66配體上的季銨鹽-N+(CH3)3官能團通過靜電吸附效應有效俘獲負電荷的多硫根離子;而缺陷化工程則使得UiO66配體丟失,暴露更多的Zr金屬位點來提升其催化性能。UiO66和黑磷的協同催化機制使得多硫化鋰在異質結界面上實現了快速吸附-催化-轉換的過程,有效地抑制了多硫化鋰擴散過程。對于陽離子改性的纖維素凝膠電解質,通過COMSOL模擬了鋰離子的沉積過程,表明纖維素電解質中季銨鹽-N+(CH3)3官能團可以限制陰離子的運動過程,從而提升電解質的離子遷移數并誘導鋰的均勻沉積過程,形成致密穩定的SEI膜來抑制鋰晶生長的過程。 


非對稱纖維素凝膠電解質的制備示意圖a) 缺陷離子化UiO66/BP的制備過程;b) 陽離子型纖維素電解質的制備過程;c) 非對稱纖維素電解質的制備及在鋰硫電池的應用。 


多硫化鋰在異質結界面的吸附和催化轉化機理圖

 

4 a-c) 隔膜/電解質的離子遷移數的測定;在2000 s的模擬時間內,模擬Li+Li負極上的沉積過程: d-f) 商業隔膜Celgard; g-i) ACA; j-l) QACA(鋰代表紅色)


  該工作以“Simultaneously Suppressing Shuttle Effect and Dendrites Growth in Lithium–Sulfur Batteries via Building Dual-functional Asymmetric-Cellulose Gel Electrolyte”為題發表在《Small》期刊上。文章第一作者為研究生黃揚澤,通訊作者為南京林業大學付宇教授。該研究得到了國家自然科學基金委,江蘇省研究生科研實踐創新計劃項目的支持。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202300076

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