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  以金屬鋰為負極，硫為正極的鋰硫電池具有高理論比容量（1675 mAh g^-1）和高能量密度（2600 Wh kg^-1）。這些優勢使得鋰硫電池有望成為新一代高能量密度、低成本、可大規模使用的儲能技術。但是，鋰硫電池在充放電過程中存在硫及其放電產物的電子、離子導電率低、體積膨脹、穿梭效應和反應動力學緩慢等問題，制約了鋰硫電池技術的應用與發展。因此，如何兼顧硫電極結構穩定性和可溶性多硫化物高效吸附-轉化過程，成為了鋰硫電池面向實際應用的難題。

  近期，大連理工大學胡方圓教授課題組在能源領域知名期刊Nano Energy上發表題為“Dynamic cross-linking of zwitterionic polymer binder based on host-guest interactions for Li-S batteries with enhanced safety and electrochemical performance”的研究論文。該文章針對傳統PVDF粘結劑粘附力及離子傳輸能力欠佳等問題，基于β-環糊精和金剛烷結構的主客體識別作用，構建了新型動態交聯兩性離子聚合物粘結劑。該粘結劑集親硫性、親鋰性、低交聯密度和阻燃性于一體，具有優異的機械強度、強多硫化物吸附/催化能力、高Li⁺傳輸能力和阻燃安全性。通過系列實驗和理論模擬，揭示了離子-偶極相互作用對陽離子和陰離子的協同調控作用，闡明了β-CDp-Cg-2AD粘結劑凝聚態和氣相阻燃機制。基于β-CDp-Cg-2AD粘結劑所制得的電極具有高比容量（1333 mAh g^?1）、優異的倍率性能（844 mAh g^?1，2 C），且經過800次循環后容量保持率為81%。即使在較高硫負載（7.36 mg cm^?2）和少電解液（7.1 μL mg^?1）條件下，電極仍具有較高面容量（7.60 mAh cm^?2），經過100次循環后容量保持率高達96%，這說明基于該策略制備的鋰硫電池具有應用潛力。該項研究工作為高性能、高安全性、長壽命鋰硫電池正極粘結劑的發展提供了可資借鑒的新思路。

圖1  β-CDp-Cg-2AD粘結劑的制備過程示意圖

圖2  (a)Li₂S₄和Cg的靜電勢分布；(b) 復合物的穩定構型和結合能；(c)¹H NMR譜圖；(d)⁷Li NMR譜圖；(e-h) Li 1s、N 1s、P 2p和S 2p XPS分峰譜圖；(i)理論吸附模型和(j)吸附能；(k) PVDF、β-CDp和 β-CDp-Cg-2AD粘結劑靜態吸附后Li₂S₆溶液的光學照片。

圖3  Li⁺擴散動力學：(a) β-CDp-Cg-2AD電極的GITT曲線；(b)三種電極在充電和放電過程中的內阻；(c)三種電極的Nyquist圖；(d)在低頻區，Z''隨ω^-0.5的變化；(e) β-CDp-Cg-2AD分子通過熱運動傳遞Li⁺解離-絡合過程的示意圖。

圖4 電化學性能： (a)倍率性能、(b)容量保持率和(c)循環穩定性和庫侖效率；(d) 1 C條件下β-CDp-Cg-2AD電極的循環穩定性；(e)不同硫負載和較低E/S比條件下，β-CDp-Cg-2AD電極的循環性能；(f) 高硫負載的電極循環性能；(g) β-CDp-Cg-2AD粘結劑與其它粘結劑綜合性能對比圖。

圖5  (a) β-CDp和β-CDp-Cg聚合物的燃燒測試照片；(b) β-CDp和(c) β-CDp-Cg聚合物的燃燒后的SEM譜圖；(c) β-CDp和β-CDp-Cg聚合物的燃燒后的FT-IR譜圖；(e-f) β-CDp的熱重-紅外光譜圖；(g-h) β-CDp-Cg-2AD聚合物熱重-紅外光譜圖。

  文章鏈接：

  Tianpeng Zhang, Runyue, Mao, Wanyuan Jiang, Borui Li, Zihui Song, Siyang Liu, Xigao Jian, Fangyuan Hu*, Dynamic cross-linking of zwitterionic polymer binder based on host-guest interactions for Li-S batteries with enhanced safety and electrochemical performance. Nano Energy, 2023, 114, 108603. 

  DOI: org/10.1016/j.nanoen.2023.108603

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285523004408

【作者介紹】

  胡方圓 教授/博導，國家自然科學基金優秀青年基金獲得者，遼寧省“興遼英才”計劃青年拔尖、大連市“青年科技之星”，教育部首批“全國高校黃大年式教師團隊”核心成員。擔任中國宇航學會臨近空間產業工作委員會委員、中國電工技術學會儲能系統與裝備專業委員會委員、遼寧省高性能樹脂材料專業技術創新中心副主任、學術期刊 InfoMat 、SusMat 青年編委、《中國材料科學進展》首屆編委等。主要從事高分子基電化學能源材料及器件構筑，深入探究其在超級電容器、鈉離子電池、鋰硫電池、固態電池中的應用研究。主持國家重點研發計劃項目子課題任務、國家自然科學基金項目、中國石油科技創新基金等，參與完成國家自然科學基金聯合基金重點項目、中國工程院重點咨詢研究項目（項目聯系人）、十二五863計劃課題等。在能源材料領域和交叉學科期刊如Adv. Energy Mater.、Nano-Micro Lett.、Energy Storage Mater.、Nano Energy、ACS Nano等發表學術論文70余篇，授權/申請國際國內發明專利30余項，主編十四五國家級規劃教材1部，軟件著作權5項。

  張天鵬 2023年獲大連理工大學高分子材料專業博士學位，目前就職于東北林業大學材料科學與工程學院，主要研究方向為生物質基儲能材料。曾獲博士研究生國家獎學金、遼寧省優秀畢業生、大連理工大學優秀畢業生、博士論文單項獎學金等。截至目前，以第一作者在Nano Energy、ACS Nano、 J. Energy Chem.、Energy Environ. Mater.等期刊發表學術論文7篇；還在Adv. Energy Mater.、Energy Storage Mater.等期刊參與發表學術論文20余篇。