研 究 背 景

隨著電子儲能設備的日益更新換代以及電動汽車領域的發展，鋰硫電池具有超高的比容量（1675 mAh/g）和超高的能量密度（2600 Wh/kg）受到科研人員的廣泛關注。但硫正極的多硫化物穿梭效應和鋰負極的界面不穩定是阻礙高能量密度鋰硫電池商業化的主要技術問題，單純解決多硫化物穿梭或者鋰枝晶生長的問題會導致存在安全隱患或電池壽命較短的不足。同時商業電解液的泄露問題也是實際應用過程需要重點關注的焦點。開發固態/凝膠電解質在高性能鋰硫電池具有重要的研究意義。

文 章 簡 介

基于此，南京林業大學付宇課題組在國際知名期Small上發表題為“Simultaneously Suppressing Shuttle Effect and Dendrite Growth in Lithium–Sulfur Batteries via Building Dual Functional Asymmetric-Cellulose Gel Electrolyte”的觀點文章。該文章制備了一種非對稱型纖維素電解質來解決鋰硫電池中的穿梭效應以及鋰枝晶生長的問題，為生物質材料在鋰硫電池的應用提供了新的思路。



圖1 非對稱纖維素凝膠電解質的設計思路

本 文 要 點

要點一：UiO66/BP異質結的缺陷離子化工程

在之前的工作中，我們團隊已經利用油水界面自組裝的方法制備了UiO66/黑磷異質結（Chemical Engineering Journal, 2023, 454: 140250），但異質結對于多硫化鋰的催化性能仍然不滿意，因為MOF 材料對于多硫化物的吸附和催化性能較差。

為此，我們對異質結中的UiO66進行了缺陷化和離子化的處理，缺陷化使得UiO66暴露更多的金屬Zr位點，提升了MOF的催化活性；離子化工程則使得配體氨基官能團季銨鹽陽離子化，使得MOF能通過靜電吸附效應捕獲負電荷的多硫根離子。通過電化學測試表明多硫化鋰在異質結界面上實現快速吸附-催化-轉化的過程，有效地抑制了多硫化鋰的穿梭效應。



圖2 多硫化鋰在異質結界面的吸附和催化轉化機理圖

要點二：陽離子型纖維素電解質穩定鋰金屬負極

針對纖維素電解質鋰離子遷移數低而無法誘導離子在負極表面均勻沉積的過程，我們組提出了一種基于靜電吸附機理的策略來提升鋰離子遷移數。在纖維素網絡中引入的季銨鹽-N+(CH3)3官能團能通過靜電作用吸附電解質中的陰離子，限制了陰離子的運動，從而使得纖維素的鋰離子遷移數高達0.79。通過鋰對稱電池也證明陽離子型纖維素電解質有效穩定了鋰負極，實現了長時間鋰電鍍/剝離過程中的平穩過電位。



圖3 陽離子型纖維素電解質QACA對于鋰負極穩定性測試及機理

要點三：抑制穿梭效應和枝晶生長的測試

將缺陷離子化的Di-UiO66/BP異質結通過真空抽濾到陽離子型纖維素電解質表面，組裝電池并評估了非對稱纖維素電解質對于鋰硫電池電化學性能提升的影響。結果表明非對稱電解質能同時抑制多硫化鋰的穿梭效應和鋰枝晶的生長，鋰硫電池在1000圈循環后仍保留383.9mAh/g的高比容量，每圈容量衰減率僅為0.053%。

審核編輯：劉清