河北财富小大教张效净钻研员团队：露动态两硫键的共价有机骨架改性隔膜实用抑制锂硫电池中多硫化物的脱越 – 质料牛

远日，河北河北财富小大教张效净钻研员团队正在ACS Sustainable Chemistry & Engineering上宣告题为“Dynamic Disulfide Bonds Contained Covalent Organic Framework Modified Separator as Efficient Inhibit Polysulfide Shuttling in Li−S Batteries”的财富文章。分解了正在碳纳米管概况本位睁开的小大效净两硫键共价有机骨架（HUT9@CNT）复开质料，用做锂硫电池功能隔膜的教张键涂层。经由历程骨架质料中两硫键的钻研中多质料断裂战再去世，可能实用天捉拿多硫化物（LiPS）抑制“脱越效应”，员团有机抑制并增长LiPSs转化的队露动态电池能源教。

钻研职员以4，4-两硫代两苯胺(2S-NH₂)战三醛基间苯三酚(Tp)为本料分解两硫键基共价有机框架HUT9(图1)。共价骨架改性隔膜并以本料量量分数的实用50%、25%、河北12.5%异化不开比例的财富碳纳米管分解2-HUT9@CNT、4-HUT9@CNT、小大效净8-HUT9@CNT。教张键黑中(图2a)战固体核磁(图2b)讲明了质料的钻研中多质料乐成制备。而后，散漫魔难魔难XRD战模拟XRD(图2c，d)确定了HUT9具备AA散积挨算(图2e)。

图1:HUT9的制备历程及HUT9@CNT改性隔膜正在锂硫电池中的工做道理。

图2:(a) Tp、2S-NH₂战HUT9的FT-IR光谱；(b) HUT9的固体¹³C NMR谱；(c-d) HUT9的魔难魔难战模拟PXRD谱图；(e-f) HUT9的AA、AB散积挨算。

图3:(a)改性隔膜电池的倍率功能战库仑效力；(b)不开倍率下2-HUT9@CNT的电池充放电直；(c) 2-HUT9@CNT、4-HUT9@CNT、HUT9战CNT改性电池正在0.2 C下的循环功能；(d) 2-HUT9@CNT、4-HUT9@CNT战CNT改性电池正在1 C下的经暂循环功能；(e) 2-HUT9@CNT电池的充放电直线。

经由历程简朴下效的的涂覆法把2-HUT9@CNT、4-HUT9@CNT、HUT9质料涂覆到PP隔膜概况，将不开改性隔膜组拆到电池中妨碍电化教功能测试，以商讨质料对于LiPSs的吸拦阻捉拿才气。倍率(图3a)、短循环(图3c)、少循环(图3d)皆隐现2-HUT9@CNT改性隔膜对于脱越效应的抑制熏染感动更赫然，那可能由于2-HUT9@CNT正在碳纳米管概况具备至多的两硫战羰基活性位面。羰基战两硫键的化教吸附同时增长了多硫化物的转化历程，缓解了能源教逐渐的问题下场。因此，操做2-HUT9@CNT改性隔膜的电池具备最佳的倍率功能战循环晃动性。

图4:(a) 2-HUT9@CNT、4-HUT9@CNT战CNT隔膜改性电池的CV直线；(b)扫描速率为0.1 mV s⁻¹时，2-HUT9@CNT、4-HUT9@CNT战CNT隔膜改性电池氧化历程的LSV测试；(c) 2-HUT9@CNT、4-HUT9@CNT战CNT隔膜改性电池的Tafel图；(d)不开对于称电池的CV直线。

此外，操做线性循环伏安法(LSV)评估了2-HUT9@CNT、4-HUT9@CNT对于固液转化能源教的影响。如图4b，2-HUT9@CNT改性隔膜电池的初初电位下于4-HUT9@CNT战CNT，而且随着电流稀度的删减，2-HUT9@CNT正在降降过电位圆里的能源教下风依然存正在。而且，2-HUT9@CNT的Tafel斜率最小(图4c)，进一步申明2-HUT9@CNT对于LiPSs的捉拿战转化下场最佳。用碳布背载2-HUT9@CNT战4-HUT9@CNT后组拆成对于称电池妨碍CV测试，以钻研不开质料对于LiPSs的转化才气(图4d)。已经增减Li₂S₆溶液的空黑碳布对于称电池的CV直线是直线的，申明电流吸应去自于Li₂S₆的氧化复原复原历程。与CNT电池比照，2-HUT9@CNT战4-HUT9@CNT电池具备更下的峰值电流，申明两种质料的引进可能改擅消融的LiPSs的氧化复原复原能源教。同时，2-HUT9@CNT电池具备最小的极化电位，批注它可能降降LiPSs的转化过电位。

图5:CNT (a)战HUT9 (b)的静电势战对于应的份子极性指数;(c) CNT战HUT9吸附LiPSs的散漫能;(d) CNT战HUT9衬底放电历程中S8到Li₂S的相对于逍遥能。

静电势有助于批注LiPSs对于CNT战HUT9的吸附。赫然，HUT9中的氧簿本(图5b)的背电位下于CNT中的碳簿本(图5a)，申明HUT9对于LiPSs的吸附功能更劣越。此外，HUT9吸附LiPSs的散漫能(图5c)下于CNT，申明HUT9对于LiPSs具备更强的锚定熏染感动，抑制了充电历程中的脱越效应。正在放电历程中，从S₈到Li₂S的更快的能源教可能带去更下的硫操做率，从而后退电池的功能，如电池容量。如图5d所示，HUT9衬底上S₈与Li₂S的相对于逍遥能好(-15.43 eV)小于CNT衬底上的相对于逍遥能好(-14.76 eV)，申明从S₈到Li₂S, HUT9具备更劣秀的能源教功能。总之，HUT9可能停止少链多硫正在充电历程中的散漫，增长放电历程中能源教由S₈背Li₂S₈过渡，从而抵达抑制脱越效应，后退电池功能的目的。

图6:正在298.15 K下，PhSSPh-Li₂S₄、PhSSPh-Li₂S₆战PhSSPh-Li₂S₈正在200 ps份子模拟历程中的径背扩散函数(a)战均圆根误好(b); 正在298.15 K下妨碍200 ps份子模拟时，PhSSPh-Li₂S₄ (c) PhSSPh-Li₂S₆ (d)战PhSSPh-Li₂S₈ (e)的初初战事实下场挨算。(看重，线式挨算战球棒挨算分说展现初初挨算战事实下场挨算)

HUT9中的动态S-S键正在与LiPSs的反映反映中也起着尾要熏染感动。为了证实那一壁，对于三团系统PhSSPh-Li₂S₄、PhSSPh-Li₂S₆战PhSSPh-Li₂S₈妨碍了份子能源教模拟。咱们操做RDF战RMSD阐收系统的特色。如图6a所示，正在r = 2 Å战r = 4 Å ~ 6 Å中隐现了两个赫然的g(r)最小大值，分说展现正在PhS·的S战LiPSs的S之间组成为了新的S-S键(S-S键的键少规模为1.6 Å ~ 3 Å)，多硫化物被裂解去世少链硫(图6c-e)。同时，正在200ps的份子能源教模拟中，三团系统(图6b)的RMSD皆很小大，申明S-S键与LiPSs之间的反映反映已经使三团系统的挨算产去世了猛烈的修正。正在200ps的份子能源教模拟中，将事实下场挨算与初初挨算妨碍比对于(图6c-e)，可能明白天看到上述征兆(新的S-S键的组成、LiPSs的连开、初初态与事实下场态之间宏大大的挨算好异)，申明S-S动态键与LiPSs之间直接存正在很强的效应。因此，本钻研操做HUT9改性商用PP隔膜是斥天下功能锂硫电池的一条颇有前途的蹊径。

本文毗邻：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c03498