化学学院兰亚乾教授团队在化学顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上发表重要研究成果

2021-11-23 15:46:13
科学研究

近日,我校化学学院兰亚乾教授团队在锂硫电池粘结剂领域取得了重要研究进展,相关成果在化学顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上发表,文章标题为“Anthraquinone Covalent Organic Frameworks Hollow Tubes as Binder Micro-Additives in Li-S Battery”(Angewandte Chemie International Edition, 2021, DOI: 10.1002/anie.202113315.)。我校是该论文的第一完成单位,论文第一作者为我校化学学院一年级博士生郭璨,主要合作者包括南京师范大学陈宜法副教授等。该研究受到了中国博士后科学基金、国家自然科学基金等项目的支持。

锂硫电池因其超高的理论能量密度(2600 Wh kg-1)、优越的理论比容量(1675 mAh g-1)以及硫的成本低、环境友好和自然丰度等优势而成为极具前景的储能体系。然而,锂硫电池的发展受到多硫化物穿梭、缓慢的反应动力学以及由体积膨胀、锂枝晶等问题困扰。针对上述问题,研究人员通常只关注电极材料本身的改性研究,这样的改性研究往往具有单一性和经济效益低的特点,并且很难拓展到其他电池体系。因此,寻找更为高效且适用性广的改进策略是今后的研究热点。粘结剂作为锂离子电池的常用关键部件之一,其担负着提供活性材料、导电添加剂和电流收集器的强附着力和限制由于体积应变导致的活性物质脱落的作用。但是,单一聚合物粘结剂普遍存在粘附性弱、机械性能不足、电子和离子导率低以及抗体积应变能力差的缺点。因此,开展新型粘结剂的研发或粘结剂改性显得尤为重要,以期望在提高粘结剂本身性能的同时满足高能量密度电子产品或电动汽车中电池的轻量化/便携需求。

该研究提出了通过聚偏氟乙烯(PVDF)、1,5-二氨基-4,8-二羟基蒽醌(OH-AAn)和1,3,5-三甲酰基间苯三酚(TP)的原位自组装,制备了基于蒽醌COFs的中空管,并将其作为粘结剂的添加剂以提高锂硫电池的电化学性能。这一方法能够同时结合高分子和COFs材料的优点,使得制备得到的粘结剂改性材料具有出色的粘度、浸润性、抗应变能力和自修复性能等。研究者使用这类粘结剂添加剂组装得到的Li-S电池具有电解液浸润性好、离子传导高、多硫化物吸附强、催化活性高和粘附性强等特性,进而表现出优异的电化学性能。与PVDF基电极相比,该粘结剂改性的电池表现出高的比容量(805.5 mAh g-1, 0.5 C,300次循环)和良好的循环稳定性。此外,通过充分的实验结果和DFT计算结果证明,蒽醌-COFs中空管作为添加剂不仅可以增强粘结剂的基本性能还能自发固定和催化转化多硫化物,这将在保持优异的电化学性能方面发挥关键作用。这项工作为COFs在锂硫电池中的应用和探索提供了新的策略。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202113315

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作者/通讯员:化学学院供稿 | 来源:化学学院 | 编辑:杨柳青