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

研 究 背 景

隨著電子儲(chǔ)能設(shè)備的日益更新?lián)Q代以及電動(dòng)汽車領(lǐng)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(yīng)和鋰負(fù)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(zhǎng)的問題會(huì)導(dǎo)致存在安全隱患或電池壽命較短的不足。同時(shí)商業(yè)電解液的泄露問題也是實(shí)際應(yīng)用過程需要重點(diǎn)關(guān)注的焦點(diǎn)。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(jiǎn) 介

基于此，南京林業(yè)大學(xué)付宇課題組在國(guó)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(diǎn)文章。該文章制備了一種非對(duì)稱型纖維素電解質(zhì)來(lái)解決鋰硫電池中的穿梭效應(yīng)以及鋰枝晶生長(zhǎng)的問題，為生物質(zhì)材料在鋰硫電池的應(yīng)用提供了新的思路。



圖1 非對(duì)稱纖維素凝膠電解質(zhì)的設(shè)計(jì)思路

本 文 要 點(diǎn)

要點(diǎn)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(tuán)隊(duì)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(duì)于多硫化鋰的催化性能仍然不滿意，因?yàn)镸OF 材料對(duì)于多硫化物的吸附和催化性能較差。

為此，我們對(duì)異質(zhì)結(jié)中的UiO66進(jìn)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(diǎn)，提升了MOF的催化活性；離子化工程則使得配體氨基官能團(tuán)季銨鹽陽(yáng)離子化，使得MOF能通過靜電吸附效應(yīng)捕獲負(fù)電荷的多硫根離子。通過電化學(xué)測(cè)試表明多硫化鋰在異質(zhì)結(jié)界面上實(shí)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(yīng)。



圖2 多硫化鋰在異質(zhì)結(jié)界面的吸附和催化轉(zhuǎn)化機(jī)理圖

要點(diǎn)二：陽(yáng)離子型纖維素電解質(zhì)穩(wěn)定鋰金屬負(fù)極

針對(duì)纖維素電解質(zhì)鋰離子遷移數(shù)低而無(wú)法誘導(dǎo)離子在負(fù)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(jī)理的策略來(lái)提升鋰離子遷移數(shù)。在纖維素網(wǎng)絡(luò)中引入的季銨鹽-N+(CH3)3官能團(tuán)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(yùn)動(dòng)，從而使得纖維素的鋰離子遷移數(shù)高達(dá)0.79。通過鋰對(duì)稱電池也證明陽(yáng)離子型纖維素電解質(zhì)有效穩(wěn)定了鋰負(fù)極，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間鋰電鍍/剝離過程中的平穩(wěn)過電位。



圖3 陽(yáng)離子型纖維素電解質(zhì)QACA對(duì)于鋰負(fù)極穩(wěn)定性測(cè)試及機(jī)理

要點(diǎn)三：抑制穿梭效應(yīng)和枝晶生長(zhǎng)的測(cè)試

將缺陷離子化的Di-UiO66/BP異質(zhì)結(jié)通過真空抽濾到陽(yáng)離子型纖維素電解質(zhì)表面，組裝電池并評(píng)估了非對(duì)稱纖維素電解質(zhì)對(duì)于鋰硫電池電化學(xué)性能提升的影響。結(jié)果表明非對(duì)稱電解質(zhì)能同時(shí)抑制多硫化鋰的穿梭效應(yīng)和鋰枝晶的生長(zhǎng)，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%。

審核編輯：劉清