华盛顿州立大学Energy Storage Materials：离子运输调节器用于高性能锂硫电池研究

【引言】

在各种先进的电池类别中，由于极高的理论容量（1672mAh/g），低成本和环境友好性，锂硫（Li-S）电池被认为是最有前途的高容量电池系统之一。然而，实际上Li-S电池的能量/功率密度，循环稳定性，倍率性能等还远不能满足商业应用的需求。多硫化物溶解、扩散及其穿梭效应以及锂金属不均一沉积导致的枝晶生长被认为是其走向实用的两个关键障碍。因此，阻止或抑制多硫化物的溶解或扩散，同时稳定锂金属表面已经成为锂硫电池研发需要突破的重点。

在隔膜和硫电极之间设计一层中间层已经被广泛用于锂硫电池的研究。通过引入与多硫化物具有强相互作用的电池隔膜涂层材料是抑制多硫化合物穿梭效应的有效解决方案。尽管各种先进的中间层已经取得了很多进展，但大多数研究都集中在设计和制备新的功能性纳米材料本身上，而对于如何合理设计中间层、系统表征其结构和性能、以及全面理解其在锂硫电池中所扮演的角色，鲜见报道。在本报道中，作者们合理地设计和制备了由两种聚合物和导电填料复合而成的多孔导电纳米复合材料，并对它的结构、性能以及扮演的角色展开了比较全面的表征和评价。研究发现，该纳米复合材料中间层可以扮演离子传输调节器的角色，当用于锂硫电池时，不仅可以有效阻挡多硫化物传输扩散，同时还能促进和均一化锂离子的透过，从而抑制锂枝晶的生长。

 【成果简介】

近日，华盛顿州立大学王宇助理研究教授和仲伟虹教授课题组（共同通讯作者）在国际顶级期刊Energy Storage Materials 上成功发表 “A Polymeric Nanocomposite Interlayer as Ion-Transport-Regulator for Trapping Polysulfides and Stabilizing Lithium Metal”的论文。第一作者为博士生傅雪薇。在本研究中，作者们通过设计多功能和高性能聚合物纳米复合材料，成功制备了一种具有优良力学性能的、有效阻隔/吸附功能的、良好隔膜粘接力的多孔纳米复合材料，并将其作为高性能中间层用于锂硫电池。该中间层结合两种聚合物的优点：聚偏二氟乙烯（PVDF）作为结构性组分，超高分子量聚环氧乙烷（PEO）作为多硫化物吸附剂功能性组分。同时，研究人员首次采用了空气过滤和流变学研究方法，对中间层的离子透过特性和力学稳定性进行了比较全面的表征。研究发现这两种聚合物的组合显著改善了纳米复合材料中间层的孔结构、多硫化物吸附功能、界面粘接力和力学性能。采用这种纳米复合材料中间层，不仅有效地抑制了多硫化物的扩散，重要的是，大大改善了Li沉积的均匀性。这为合理设计高性能中间层，在锂硫电池以及其它电池体系中，实现离子传输的可控调节（即离子传输调节器），提供了非常简单有效的材料解决方案和表征手段。

【全文解析】

x图1功能性多孔聚合物纳米复合材料作为Li-S电池的先进电池中间层。（a）通过功能聚合物，结构聚合物和导电填料的组合的制造方法的示意图;（b）说明Li-S电池中电池中间层的可能功能和重要特性。

图2与裸露隔膜相比，不同纳米复合中间层的Li-S电池的电化学性能。（a）电流密度为0.1A/g的第一循环充电/放电曲线;（b）电流密度为0.5A/g时的充电/放电曲线;（c）倍率性能;（d）具有不同中间层电池的奈奎斯特图;（e）在0.3A/g电流密度下的循环稳定性和库伦效率。

图3先进的多孔纳米复合材料中间层作为调控Li沉积的离子传输调节器。（a-d）不同纳米复合中间层的循环后Li负极的SEM图像;（e-f） Li沉积示意图。

图4与Li/CS/Cu电池相比，Li/（PVDF-PEO/CB@CS）/Cu电池的Li金属沉积/剥离测试。 （a）循环性能;（b-d）不同循环次数后电池的电压分布比较; （e, f）分别在100个循环后Cu电极上沉积的Li的SEM图像。

总结与展望

研究人员报道了一种用于Li-S电池的先进纳米复合中间层的系统研究，其中强调了中间层用于捕获多硫化物和引导Li沉积的功能。在空气过滤研究中使用的压降测试首次被用于评估多孔结构的质量及其中间层的离子流特性。同时，本研究通过流变试验研究了中间层压缩过程中的力学性能和结构稳定性。通过结合结构和功能聚合物（PEO和PVDF）的优势，制造具有显著增强性能/功能的先进纳米复合材料中间层，如有效的多硫化物捕获能力，合理的多孔结构以获得快速均匀的Li⁺通量，良好的机械性能和对隔膜的粘附性。结果显示，Li-S电池的比电容，倍率性能和循环稳定性显著提高。此外，进一步表明，先进的中间层可以帮助稳定Li-S电池和Li/Cu电池中的Li负极，这是因为中间层可以有效地调节通过隔膜的Li⁺，从而引导均匀的Li沉积。这项研究不仅为电池中间层提供了低成本且有效的制造策略和高效的表征技术，而且有助于理解锂-硫电池和其他电化学装置中电池中间层/涂层的作用。

团队介绍

仲伟虹教授：1994年毕业于北京航空航天大学材料科学与工程系复合材料及加工专业，获博士学位。2007年8月起在美国华盛顿州立大学（Washington State University）工作，现为该校机械与材料工程学院首席教授、Westinghouse 特聘教授。王宇研究助理教授：本科毕业于四川大学高分子学院，2015博士毕业于仲伟虹教授课题组并留校担任研究助理教授。该团队长期从事于多功能聚合物及其纳米复合材料的开发，主要用于航空航天，先进能源储存、空气净化等领域。目前已在Adv. Mater., Nano Lett., Adv. Energy Mater, J. Phys. Chem. Lett., Energy Storage Mater. 等国际知名期刊上发表论文150余篇，撰写和编辑纳米材料相关科技专著6部，在国际大会作特邀报告38次，并拥有多项专利技术。

Xuewei Fu, Yu Wang, Louis Scudiero, Wei-Hong Zhong, A polymeric nanocomposite interlayer as ion-transport-regulator for trapping polysulfides and stabilizing lithium metal,
Energy Storage Materials, DOI:10.1016/j.ensm.2018.06.025