Small Methods: 应用硫化/逆硫化法制备高性能含硫聚合物正极材料的研究进展

锂离子电池是一种已被广泛使用的储能装置。然而,锂离子电池长期存在着低能量密度和高成本的问题。此外,锂离子电池的技术发展几乎已达到了其性能的上限。能量密度是目前制约电动汽车和智能电网等发展的关键因素。因此,为了获得更高的储能密度,有必要开发新型的储能设备。锂硫电池由于具有远高于最先进的锂离子电池的极高的能量密度(2567 Wh/kg),且其原材料廉价、污染低等优势,而成为研究的热点。

然而,锂硫电池的发展目前主要受到其充放电过程中产生的严重的“穿梭效应”限制。为了解决这一问题,研究者们已经将多种策略应用于锂硫电池的硫正极上。最广泛采用且有效的策略之一是通过多孔导电介质物理限制单质硫。但这种策略的缺点是大多数多孔导电介质的制备工艺复杂,成本高。近年来,随着合成技术的发展,人们开始关注另一种策略——利用含硫聚合物来代替单质硫作为锂硫电池正极材料。含硫聚合物由于同时具有对硫的化学键合力和物理缠结作用,因此能够有效地对电化学反应的中间产物多硫化物进行固定,从而有效抑制“穿梭效应”,提高锂硫电池正极电化学性能。

近日,天津大学材料学院封伟教授课题组在Small Methods上发表了题为“Recent Advances in Applying Vulcanization/Inverse Vulcanization Methods to Achieve High-Performance Sulfur-Containing Polymer Cathode Materials for Li–S Batteries”的综述文章,总结了通过最简单的制备方法硫化/逆硫化所得到的含硫聚合物用作高性能锂硫电池正极材料的研究进展。文章首先阐述了锂硫电池正极的工作原理和存在的限制性问题,然后概述了含硫聚合物作为正极材料的发展历程,接着系统地讨论了近七年来通过简单的、低成本的硫化/逆硫化方法所制备的含硫聚合物作为锂硫电池正极材料的研究成果和最新进展。主要围绕硫化聚合物(硫化导电聚合物、硫化橡胶),逆硫化聚合物(硫-不饱和烃共聚物、硫-苯并噻唑共聚物、硫-硫醇共聚物、硫-共价三嗪骨架共聚物、硫与导电聚合物的共聚物),以及硫化/逆硫化聚合物基复合材料,阐明了这些含硫聚合物的化学结构和电化学机理,并对其结构与性能之间的关系进行了深入的探讨。作者认为,有机材料具有许多不同的分子结构和可定义的官能团。选择合适的单体原料与单质硫反应,可使最终获得的含硫聚合物具有诸多有利的性质,例如离子和电子传导性、高硫含量、适当的粘度、可加工性和可控的形貌。这些特性对于在锂硫电池正极中使用而言具有很大益处,有助于实现高容量和高倍率稳定放电。因此,通过开发多功能的含硫聚合物作为正极材料,不仅可以减少正极中导电剂和粘结剂的使用,提高正极中硫含量和利用率,未来更有望制备无粘结剂和无导电剂的锂硫电池正极,获得高性能锂硫电池。

相关文章发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201800156)上,论文的第一作者为博士研究生赵付来