Joule: 高能量密度可充电电池超分子化学的展望

【引言】

硅负极、锂金属负极和硫正极由于其理论比容量极高而受到广泛的研究关注。然而，这些电极材料存在一些固有的缺点，例如Si巨大的体积变化，Li金属的不可控锂枝晶生长，以及可溶性多硫化锂的形成和伴随的穿梭效应。鉴于它们在循环期间体积，电极形态和溶解度方面的重大结构性变化，这些问题非常难以用常规方法解决。因此，需要电极设计的范式转换，使得电极组件能够以更积极有效的方式响应这些结构变化。

在生物系统中，超分子化学和机械立体化学在保持生物分子的结构完整性方面发挥着重要的作用。通过超分子相互作用的实现，可以实现诸如细胞自我修复和抗原抗体反应等生命维系功能。因为同生物系统一样，电极的结构完整性对于维持电池系统的循环寿命是至关重要的，所以可以从生物系统中借鉴许多有价值的观点来解决与锂离子电池中的高能量密度电极相关的挑战。另一方面，各种宏观机器被用来简单的改变力的方向，但也可以同时传递和修改力和扭矩，因此与初始输入力相比，输出力可以放大到更高的水平，即机械优势（如滑轮和液压千斤顶）。当这些宏观机器被转化为纳米级分子机器同时保留其功能时，它们可以用来解决电池系统中的一些问题，例如机械应力的累积，这是由最近对基于聚轮烷粘合剂的Si微粒负极的分子滑轮的研究所证实的。因此，超分子化学和机械立体化学都将成为能量储存领域的关键要素。

【成果简介】

近日，韩国首尔国立大学Jang Wook Choi教授和瑞士弗里堡大学Ali Coskun教授（共同通讯作者）等人在Joule上发表题为“Prospect for Supramolecular Chemistry in High-Energy-Density Rechargeable Batteries”的文章。文章重点介绍了超分子化学和机械连锁分子在新兴电池系统中的应用概念，即Si负极，Li金属负极和硫正极。尽管在这三个电极中发生的现象是完全不同的，但它们的容量衰减的潜在原因通常与电极组件之间的相互作用有关。对于Si负极，由大量Si体积变化引起的机械应力和应变破坏了粘合剂-粘合剂和粘合剂-Si之间的相互作用，从而使电极材料分层并导致颗粒粉碎以及SEI层的不受控制的生长，导致严重的容量衰减。因此，最重要的是引入自我修复效果和消除机械应力，并将粉碎的颗粒保持在一起，这可以通过超分子化学和机械立体化学实现。对于Li金属负极，枝晶生长的驱动力是Li ⁺与集中在Li金属表面上的自由电子之间的静电相互作用。这意味着可以利用许多超分子相互作用来干预Li⁺和自由电子之间的相互作用以控制Li金属的生长动力学。最后，对于硫正极，中间硫物质溶解到电解质中，即多硫化物穿梭，是导致显着容量衰减的有害过程。因此，期望设计与多硫化物具有强相互作用的电极材料。评估了各种材料在软硬酸和碱（HSAB）理论中缓解多硫化物穿梭的潜力，作为筛选强相互作用的指南，并且还提出了与硫正极孔隙度相关的结构策略。

【图文导读】

图一超分子化学和机械立体化学的概念

（A）超分子相互作用，机械结合和机械缠结

（B）超分子化学和机械立体化学在自然界和分子机器中的应用

（C）高能量密度电池-Si负极，Li金属负极和硫正极的典型问题

图二用于提高Si负极自愈效率的聚合物粘合剂的设计参数

（A）与粘合剂体系的共价交联相比，超分子相互作用的重要性。

（B）通过粘合剂的强超分子相互作用（双螺旋和主客体相互作用）的高结构完整性。

（C）Si阳极中支化聚合物粘合剂的力分布和协同链内聚合。

（D）由低Tg和可溶胀链促进的聚合物粘合剂的自愈合过程。

图三机械立体化学在Si负极上的应用

（A）常规支链和网络粘合剂的操作机理和结构限制。

（B）可动滑轮和Si阳极的分子滑轮粘合剂的操作机理和相似性

图四控制Li金属负极的Li枝晶生长的方法

（A）静电屏蔽机制的示意图

（B）二维机械屏障的工作原理

（三）三维机械障碍的工作原理。

（D）通过成核位点控制树枝状晶体的概念。

图五用于硫正极吸附多硫化锂的方法

（A）软硬酸原理和碱理论。

（B）与多硫化锂的Li⁺结合的概念。

（C）与多硫化锂的S^-结合的概念。

【小结】

高能量密度电极材料正在引起整个电池界的极大关注，因为电动汽车市场预计在不久的将来会出现爆炸式增长。已经有许多研究表明，超分子化学和机械立体化学确实可以用来解决高能量密度电极的挑战。然而，尽管它们在电化学性能方面有很好的改进，但这些化学物质在电池系统中的应用仍处于起步阶段。在设计用于阴离子和阳离子的高选择性主体以及通过各种非共价相互作用促进表面和纳米材料的稳定化的超分子系统的文献报道已经很较多，超分子化学和机械互锁分子将为与高能量密度电极相关的挑战提供宝贵的机会。这些系统的主要优点是它们的自适应性质，以有效的方式在循环期间响应电极的实质变化。很明显，超分子化学和机械互锁分子将成为高能量密度电极材料发展的关键因素。

文献链接：“Prospect for Supramolecular Chemistry in High-Energy-DensityRechargeableBatteries”

本文由材料人编辑部学术组微观世界编译供稿，材料牛整理编辑。

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