Nat Sustain: 无可溶性多硫化物的Li-S电池

一、【科学背景】

锂硫（Li-S）电池作为一种重要的储能装置，在可持续能源的利用中扮演者不可或缺的角色。尽管锂硫电池能够充分利用硫的高理论容量，但在多步转换过程中会形成可溶性多硫化物，多硫化物的溶解不可避免地会导致电池容量下降，并且由于穿梭效应而导致S电极循环效率不稳定。为了解决Li-S电池的循环问题，研究人员提出了各种各样的策略。

二、【创新成果】

近日，宾夕法尼亚州立大学帕克分校和南卫理公会大学的Donghai Wang教授为了解决这一问题，将硫化的混合聚合物网络，结合聚磷腈和碳作为锂硫电池的阴极。该混合聚合物网络具有丰富的位点，可以重新键合和吸附解离的硫，避免了可溶性多硫化物的形成，并实现了一种独特的可逆插入转化反应。所制备的阴极在锂硫扣式电池中展现出超高的容量（900 mAh g^-1）和优异的循环稳定性，在软包电池中实现了约300 Wh kg^-1的能量密度，并在150个循环后保持84.9%的容量保留。这一策略极大地推动硫基电池向实际能源存储应用的发展。

图1 S-HYB网络的合理设计和表征 © 2024 Springer Nature Limited

图2 S-HYB的电化学表征 © 2024 Springer Nature Limited

图3 基于S-HYB的阴极中键合硫链的可逆转化机制研究 © 2024 Springer Nature Limited

图4 基于S-HYB的软包电池在实际条件下循环及其混合聚合物网络策略的扩展应用 © 2024 Springer Nature Limited

三、【科学启迪】

该成果提出了一种通用且可持续的策略，通过使用S-HYB网络来制造高容量、无可溶性多硫化物的硫阴极。这种混合聚合物网络的设计能够以稳定的方式互动性地重新键合和吸附解离的硫，从而实现一种独特且高度可逆的插入转化反应。这一方法通过最小化可溶性多硫化物的溶解来推动锂硫电池的发展，对硫转化过程的新见解将为设计和制造高性能阴极材料开辟新的途径，以实现可持续的硫基氧化还原能源存储技术。

原文信息：Liao, M., Xu, Y., Rahman, M.M. et al. Hybrid polymer network cathode-enabled soluble-polysulfide-free lithium–sulfur batteries. Nat Sustain (2024).

https://doi.org/10.1038/s41893-024-01453-0