清华Angew. Chem. Int. Ed. : 超分子胶囊用于锂硫电池中多硫化物可逆存储/传递

【引言】

超分子材料是由有机结构单元以非共价相互作用组装成的有序结构，其具有丰富的官能团、可调控的空间结构和环境友好的特性，吸引了广泛的关注。受多种分子间、分子内相互作用的驱动，超分子材料组装不仅在有机化学中有重要的意义，而且在面向未来可持续发展的大量前沿应用(如选择性吸附和智能能源存储)的材料设计中扮演着至关重要的角色。就储能这一应用来说，超分子材料不仅可直接作为器件，也可用于制备电极材料。由于其优越的化学可调控性、形貌结构的多样性和动态适应性，超分子材料在调控复杂输运现象和反应机理等方面具有独特的优势。

【成果简介】

近日，清华大学张强教授(通讯作者)等介绍了以葫芦脲(CB)作为超分子胶囊用于锂硫(Li-S)电池中可溶性多硫化物的可逆存储/释放过程，以控制多硫化物分子的溶解，并在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“A Supramolecular Capsule for Reversible Polysulfide Storage/Delivery in Lithium-Sulfur Batteries”的研究论文。使用超分子胶囊隔膜涂层的Li-S电池具有较高的库仑效率，在4.2 mg·cm^-2硫负载量下容量由300 mAh·g^-1增至900 mAh·g^-1，性能提升明显。超分子胶囊的应用为深入理解复杂多电子转化反应提供了新的视角，是一种提升Li-S电池以及类似应用体系性能的高效策略。

【图文简介】

图1 超分子胶囊的示意图

a) 具有G@CB插层的Li-S电池示意图；

b) 在适宜的CB孔道中多硫化物的可逆存储/释放；

c) 不同材料吸附原子暴露比的比较。

图2 多硫化物在葫芦脲中的吸附/解吸现象

a) CB-Li₂S₆、原始CB和溶解于DME的Li₂S₆的Raman光谱；

b) 原始CB、DME溶胀的CB、吸附/脱附了Li₂S₄的CB的XRD谱图；

c) 多硫化物“呼吸”示意图。

图3 G@CB 插层的形态表征

a,b) G@CB的SEM图像；

c) G@CB的TEM图像；

d) G@CB的氮元素分布；

e) CB和G@CB的XRD谱图。

图4 材料的电化学性能比较

a) 电流密度0.5 C时的循环性能，上图为容量，下图为库仑效率；

b) Li-S电池的倍率性能(硫负载量：1.0 mg·cm^-2)；

c) 电流密度0.1 C时，高硫负载量Li-S电池循环性能(硫负载量：4.2 mg·cm^-2)。

【小结】

该研究制备了一种超分子胶囊，利用超分子胶囊对多硫化物的存储/释放，将其用于Li-S电池。其中的超分子葫芦脲具有丰富的暴露吸附位点，对于多硫化物具有较强的吸附能力。同时，将半径约15 nm的葫芦脲纳米胶囊沉积于石墨烯表面，可实现动力学性能的提升。因此，Li-S电池中多硫化物的溶解扩散受到限制，即使在高硫负载率或高倍率下，性能、循环稳定性和库仑效率仍较高。该研究是对功能超分子材料的一种新颖的尝试，也为先进Li-S电池和类似应用的材料选择和结构设计提供了新见解和新思路。

文献链接：A Supramolecular Capsule for Reversible Polysulfide Storage/Delivery in Lithium-Sulfur Batteries (Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201710025)

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