新型有机硫电极的分子设计,合成及其在锂电池中的应用

有机电极由于具有环境友好,质量比容量高,成本低,分子易调控等诸多优点而被广泛研究。在众多有机电极材料中,二硫化物可以通过二硫键(-C-S-S-C-)的断开和重组来实现双电子转移,因此其具有较高的理论容量。但是,大部分有机二硫化物导电性差,进而导致其动力学性能差、活性物质利用率低及循环稳定性差等问题。因此,提高有机二硫电极的利用率并且改善循环稳定性对于有机硫电极性能改善具有重要意义。

为了解决传统有机硫电极存在的循环稳定性差及库伦效率低等问题,Brookhaven国家实验室化学系的杨晓青教授,祖丽皮亚沙地克博士和Hung-Sui Lee博士设计了一种新型有机二硫电极。该课题精心设计并合成了2,3,4,6,8,9,10,12- Octathia biscyclopenta[b,c]-5,11-anthraquinone-1,7-dithione (简称TPQD),该材料中两个二硫键被固定在1,4-苯醌和1,4-二噻烷组成的有机骨架上。由于1,4-苯醌具有较快的反应动力学及良好的氧化还原特性被认为是有效改善材料的循环稳定性和活性物质的利用率的原因。同时,1,4-苯醌中的-C=O也具有电化学活性并且可以提供额外的容量,从而有利于提高材料的实际容量。本工作中,作者利用对分布函数实验技术(X-ray Pair Distribution Function Analysis, PDF)和X-射线吸收光谱技术(XAS)研究了材料的结构以及TPQD在有机电解液中的稳定性。电化学测试结果表明,TPQD在0.1C倍率下可提供251.7 mAh g-1 首次容量并且在较高的倍率2C下仍提供212 mAh g-1 的可逆容量。另外,TPQD还展现出优异的倍率性能,进一步证明了该材料具有良好的结构稳定性和动力学性能。作者利用氧和硫的K-边吸收谱研究TPQD的储锂机理,结果证明二硫键和羰基的的电化学可逆性。同时,景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院的田传进老师对TPQD的电化学过程进行了理论模拟,计算结果进一步揭示了该材料的储锂机制。

研究者相信,此研究工作可为改善有机硫电极的动力学和循环稳定性提供很有价值的思路。同时,这种分子设计合成思路可以拓展到Li-S电池中,通过将活性S固定在大分子有机骨架上,从而有效避免可溶性多硫化锂在循环过程中的穿梭反应。

相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI:10.1002/aenm.201900705) 上。该文的第一作者为Brookhaven国家实验室化学系的祖丽皮亚沙地克博士和Hung-Sui Lee博士,通讯作者为Brookhaven国家实验室化学系杨晓青教授和Seong-Min Bak博士。