30分钟合成柔性锂硫电池正极材料

如今，可折叠手机越来越受欢迎。随着此类智能柔性设备和电动汽车的普及，对高能量、长寿命和快速充电的储能系统的需求越来越大。当前的锂离子电池技术无法满足这一需求，因此重点逐渐转向下一代电池。近日，POSTECH的一个研究团队利用炼油厂加工的副产品硫磺，在短短30分钟内成功合成了锂硫电池正极材料。

研究人员开发了一种创新的锂硫 (Li-S) 电池，可提供高能量密度、快速充电和机械灵活性。该研究的结果于2021 年 8 月 25 日作为突发新闻发表在Nano Energy的网络版上。

与目前使用的高毒性过渡金属基正极材料不同，硫因其低成本、天然丰富和低毒性而备受关注。尤其是Li-S电池具有较高的理论能量密度（2,600Wh kg ^-1）和高容量（1672mAh g ^-1），显示出其作为下一代电池的潜力。然而，硫从根本上具有低电导率，这阻碍了活性材料的完全利用，从而减慢了充电/放电循环。它还具有在电解质中的高溶解度的缺点，这会降低电池的寿命。

为了克服这些限制，研究团队没有使用熔体扩散工艺——与传统的硫电极不同——而是使用硫和乙烯基膦酸 (VPA) 的逆硫化进行共聚，在短短 30 分钟内合成硫基聚合物颗粒。所得硫颗粒由基于低密度硫同素异形体的相分离的 α-硫和硫-VPA 网络 (SVPA) 组成。

在短时间内形成大小均匀的分级有序粒子的关键是硫自由基与 VPA 之间的自催化反应。VPA 所连接的长硫链在反应开始时形成，以在没有表面活性剂的情况下稳定 SVPA 的球形形状。有趣的是，研究表明，在 SVPA 颗粒表面会自发形成类似人体皮肤的皱纹和毛孔，这有助于电解液渗透到阴极中，同时减轻施加在电极表面的机械应力。

通过这一点，研究人员验证了可以基于简单的合成方法将多孔结构引入活性材料本身，以促进电解质的渗透，并通过将硫同素异形体嵌入 SVPA 框架来提高电极的机械完整性体积膨胀小。此外，研究人员通过活性材料表面丰富的膦酸官能团有效阻止了多硫化锂的洗脱，从而实现了优异的锂硫电池特性。活性材料本身具有优异的弹性和作为交联聚合物的优势，展示了其作为柔性电极的潜力。

在这项研究中，通过以低成本和环保的方式合成具有丰富膦酸基团的反向硫化聚合物，开发了一种柔性锂硫电池。这些发现具有重要意义，因为它通过化学方式捕获了多硫化锂，解决了阻碍商业化的洗脱问题，并通过为硫阴极增加了柔性特性来增加可穿戴设备电池的潜在用途，这迄今为止难以实施。

这项研究是在韩国国家研究基金会的中期职业研究员计划、创意材料发现计划和科学研究中心计划的支持下进行的。获取更多前沿科技 研究进展 访问：https://byteclicks.com