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中南民族大學(xué)楊應(yīng)奎/佐治亞理工學(xué)院林志群Adv. Sci.：用于鋰硫電池的聚合物

鋰硫電池（LSBs）由于其超高的能量密度、成本效益和環(huán)境友好性，作為便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車的下一代電源之一，前景廣闊。然而，由于硫及其中間體的電子絕緣、嚴(yán)重的穿梭效應(yīng)、大體積變化以及鋰枝晶的不可控形成，阻礙了它們的實際應(yīng)用。在過去幾十年中，通過改進(jìn)電極、電解液、隔膜和粘結(jié)劑，開發(fā)了許多開創(chuàng)性的策略來解決這些問題。

值得注意的是，聚合物由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計性、功能多樣性、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和可加工性，可以很容易地應(yīng)用于所有這些方面。此外，其重量輕且資源豐富的特點使得以低成本生產(chǎn)具有高體積能量密度的LSBs成為可能。

中南民族大學(xué)楊應(yīng)奎、美國佐治亞理工學(xué)院林志群等對LSBs中新興聚合物的突破和未來前景進(jìn)行了總結(jié)。重點關(guān)注LSBs各組分中聚合物的最新應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)其特定功能的內(nèi)在機(jī)制。該綜述全面概述了用于LSBs的最新聚合物，提供了解決關(guān)鍵挑戰(zhàn)的深入見解，并為研究電化學(xué)能源系統(tǒng)的研究人員提供了重要資源。

圖1 聚合物在應(yīng)對當(dāng)前鋰硫電池挑戰(zhàn)中的多功能作用

考慮到上述挑戰(zhàn)，LSBs實際應(yīng)用的進(jìn)一步探索應(yīng)集中在以下幾個方面：首先，作為核心組分的硫正極對LSBs的電化學(xué)性能起著決定性的作用。對于電活性有機(jī)硫聚合物，其硫含量、多硫化物（LiPS）捕獲能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性仍需通過多硫化物鏈長、功能性連接體、極性基團(tuán)、雜原子摻雜、共軛效應(yīng)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分子工程進(jìn)一步提升。

S-cPAN可能是最有希望成功應(yīng)用的含硫聚合物，但對其確切的分子結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)理以及電解質(zhì)的影響仍需進(jìn)一步研究。因此，可以將原位表征技術(shù)和理論研究相結(jié)合，通過監(jiān)測放電/充電過程中有機(jī)硫聚合物的結(jié)構(gòu)和形態(tài)演變，深入了解電池化學(xué)。

此外，還應(yīng)考慮開發(fā)可控、低成本、大規(guī)模的合成方法。至于聚合物基硫載體，未來的工作可以集中在聚合物的分子工程和多組分納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建上，以加強(qiáng)LiPS捕獲、增強(qiáng)動力學(xué)和提高硫含量。同時，可能需要在聚合物基載體中加入導(dǎo)電碳來提高硫正極的電子導(dǎo)電性。

圖2 用于鋰硫電池的聚合物正極

其次，除了硫正極外，提高電化學(xué)性能還取決于粘結(jié)劑和隔膜。對傳統(tǒng)粘結(jié)劑（例如，引入極性基團(tuán)和增加附著力）和多功能隔膜（例如，調(diào)節(jié)孔徑和加入極性基團(tuán)）進(jìn)行適當(dāng)修飾，探索正極和隔膜之間設(shè)計良好的聚合物阻擋層，也有望有效抑制穿梭效應(yīng)。

最后，開發(fā)具有高離子導(dǎo)電性、優(yōu)異的機(jī)械/化學(xué)穩(wěn)定性和良好的界面接觸性的聚合物電解質(zhì)被認(rèn)為是完全克服多硫化物溶解的最有希望的途徑。

圖3 用于鋰硫電池的聚合物粘結(jié)劑

Polymers in Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Science 2021. DOI: 10.1002/advs.202103798

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