鋰硫電池（LSBs）作為一種很有前途的新型電化學(xué)電源，具有理論能量密度高、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。然而，LSBs的商業(yè)化仍然受到多硫化物的穿梭效應(yīng)和緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的阻礙，這會(huì)導(dǎo)致活性材料的不可逆損失、鋰金屬負(fù)極的腐蝕以及電池內(nèi)阻的增加，最終導(dǎo)致電池短路，循環(huán)壽命和低庫(kù)侖效率。幸運(yùn)的是，有機(jī)分子改性碳基中間層的開(kāi)創(chuàng)性研究工作，以緩解碳材料極性差的問(wèn)題，增強(qiáng)物理和化學(xué)吸附，改善多硫化物催化轉(zhuǎn)化的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)而不影響其優(yōu)勢(shì)碳材料（快速傳質(zhì)和電荷轉(zhuǎn)移等）。然而，有機(jī)分子通過(guò)簡(jiǎn)單的重組進(jìn)入基體仍然會(huì)在有機(jī)電解質(zhì)中損失。此外，催化轉(zhuǎn)化的機(jī)制尚不清晰。因此，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)與碳材料緊密結(jié)合的新型有機(jī)分子對(duì)于加速多硫化物的催化轉(zhuǎn)化、抑制穿梭效應(yīng)和保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性至關(guān)重要。

近日，我校陳錫安教授課題組在國(guó)際頂級(jí)期刊《Angewandte Chemie International Edition》發(fā)表題為“Hydroxylated Multi-walled Carbon Nanotubes Covalently Modified with Tris(hydroxypropyl) Phosphine as a Functional Interlayer for Advanced Lithium-Sulfur Batteries”的論文。該工作開(kāi)發(fā)了一種三（羥丙基）膦共價(jià)改性羥基化多壁碳納米管作為先進(jìn)鋰硫電池的功能層。利用三（羥丙基）膦（THPP）作為鋰硫電池功能插層中的活性物質(zhì)，能夠快速將液相多硫化鋰（Li₂S_n, 4≤n≤8）催化轉(zhuǎn)化固相硫化鋰（Li₂S），從而有效抑制多硫化物穿梭效應(yīng)。同時(shí)能夠誘導(dǎo)鋰負(fù)極表面形成穩(wěn)定的固體電解液中間相（SEI）層，進(jìn)而減少鋰負(fù)極枝晶的形成。并揭示了有機(jī)小分子THPP催化多硫化物過(guò)程中形成的活性中間體，對(duì)鋰硫電池中有機(jī)小分子催化多硫化物的作用機(jī)制提供了一個(gè)新的見(jiàn)解。

為了實(shí)現(xiàn)THPP在溫和條件下以共價(jià)鍵形式嫁接在CNT-OH上，選用復(fù)含“-O=C=N-”基團(tuán)的TDI作為鏈接橋梁，成功實(shí)現(xiàn)THPP共價(jià)改性CNT-OH新型插層膜材料的制備。作者通過(guò)滲透吸附實(shí)驗(yàn)、對(duì)稱(chēng)電池、循環(huán)伏安、計(jì)時(shí)電流法以及理論計(jì)算等方法驗(yàn)證了THPP作為鋰硫電池功能插層能夠快速將液相多硫化鋰（Li₂S_n, 4≤n≤8）催化轉(zhuǎn)化固相硫化鋰（Li₂S）；并通過(guò)吸附實(shí)驗(yàn)、紫外-可見(jiàn)光譜、紅外、磷譜、質(zhì)譜以及理論計(jì)算等揭示了有機(jī)小分子THPP催化多硫化物過(guò)程中形成的活性中間體，對(duì)LSBs中設(shè)計(jì)有機(jī)小分子催化多硫化物的作用機(jī)制提供了一個(gè)新的見(jiàn)解?；诖?，這項(xiàng)工作中設(shè)計(jì)的LSBs表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。 特別是在低溫下，達(dá)到初始容量951 mAh g^-1（1 C），1700次循環(huán)后的衰減率僅為0.036%。這種通過(guò)將THPP分子共價(jià)接枝到中間層上而不改變電極結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單策略可能會(huì)為L(zhǎng)SBs電池應(yīng)用帶來(lái)光明的未來(lái)。

相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于近期的《Angewandte Chemie International Edition》（DOI:10.1002/anie.202204327），溫州大學(xué)為第一通訊單位，化學(xué)與材料工程學(xué)院2019級(jí)研究生楊斌為第一作者，我校青年教師郭大營(yíng)博士、陳錫安與王舜教授為該論文共同通訊作者，相關(guān)工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金（51872208, 51972239, 51872209和52072273）、浙江省高層次人才特殊支持計(jì)劃（2019R52042）項(xiàng)目的資助。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202204327