朱俊武课题组在高安全性、长寿命锂硫电池方面取得新进展

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近日，我校化工学院朱俊武团队在高安全性、长寿命锂硫电池领域取得研究进展，创新设计了多功能阻燃隔层材料，其自身组分间的强耦合作用，不仅能提升其结构稳定性，而且优异的阻燃特性还能增加硫正极的安全性。此外，电池充放电过程中中间产物多硫化物一旦形成，就会被阻燃隔层化学捕获，进而有效抑制多硫化物的“穿梭效应”，最终获得高安全性且循环稳定性优异的锂硫电池，解决了锂硫电池安全性和电化学性能不能同时兼顾的问题。相关研究成果以“Strong chemical interaction between lithium polysulfides and flame-retardant polyphosphazene for lithium-sulfur batteries with the enhanced safety and electrochemical performances”为题，发表在国际材料类顶级期刊《Advanced Materials》上（DOI: 10.1002/adma.202007549），IF=27.3，我校为该工作的第一完成单位和通讯单位，博士生陈鹏为论文的第一作者，朱俊武和付永胜为共同通讯作者，该工作得到了汪信教授和陆路德教授的指导。文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202007549.

图1 聚磷腈修饰的多孔石墨烯/碳化纤维素纸作为锂硫电池阻燃隔层的性能、抑制“穿梭效应”机制、阻燃机理图

         由于理论能量密度高、资源丰富、对环境友好等优势，锂硫电池被认为是最有潜力的新一代高能量密度电池器件之一。然而，电池充放电过程中中间产物多硫化物的“穿梭效应”会导致电池容量快速衰减，严重阻碍锂硫电池的商业化应用。近年来，随着固硫化学的发展和硫电极结构的逐步优化，锂硫电池技术已经取得了长足的进步。但由于电解液中有机溶剂的可燃性、锂枝晶形成和碳硫混合物的低着火温度，使锂硫电池的安全性问题成为阻碍其实际应用的关键。因此，如何在提高锂硫电池电化学性能的同时来改善其安全性变得非常重要。
       在该工作中，团队将阻燃材料创新性的引入锂硫电池的研究中，设计了多功能阻燃隔层材料，为同时提高锂硫电池的安全性和电化学性能提供了一种全新的策略。该工作使用简单的浸渍辅助焙烧方法在多孔石墨烯/碳化纤维素纸表面通过自由基加成反应修饰一层具有阻燃性能的聚磷腈，组分间的强耦合作用不仅能提升自身的结构稳定性，还能确保其优异的导电性，使其可以同时作为锂硫电池的阻燃隔层和“副电极”，在容纳硫和电解液之后仍然具有很好的阻燃性能，提升锂硫电池的安全性。阻燃隔层中聚磷腈丰富的P-Cl键可与多硫化物自发发生亲核取代反应，形成P-S共价键。因此，充放电过程中多硫化物一旦形成，就会被阻燃隔层化学捕获，从而有效地抑制其“穿梭效应”，提高锂硫电池的循环稳定性。此外，阻燃隔层优异的导电性还能提高电池电化学反应动力学，从而提高电池倍率性能。该工作为兼具长寿命和高安全性的锂硫电池提供了切实可行的策略，有助于推进锂硫电池的商业化进程。
       该工作得到了国家自然科学基金项目、江苏省杰出青年基金等项目的支持。


       文章来源：南京理工大学
       朱俊武，男，1976年1月出生，南京理工大学化工学院教授、博士生导师。毕业于南京理工大学 材料学专业，获得博士学位。2016年4月入选2015年度“长江学者奖励计划”青年学者。2016年5月入选2015年度“中青年科技创新领军人才”。2018年5月，入选第三批国家“万人计划”科技创新领军人才。已在国内外期刊上发表50多篇学术论文，其中被SCI、EI收录30余篇，申请发明专利15项，已获授权6项，承担并参与了多项国家和省部级项目，获省部级鉴定6项，获国家科技进步二等奖1项，国防科技进步二等奖1项，江苏省科技进步二等奖1项，中国石油和化工协会科技进步一等奖1项。