作者：2016级 宋韫玮 化学工程系

指导老师：张强 化学工程系

关键字：锂硫电池、氧化还原介体

摘要

本项目开发了一种半限域设计的锂硫电池氧化还原介体，这种策略被证明能显著增强氧化还原介体在硫正极中的介导效率，提升电池性能，并防止其在正负极之间的扩散。

研究背景

锂硫电池由于具有超高的理论能量密度（2600 Wh kg−1），而被认为是理想的下一代储能器件。然而，其正极活性物质硫/硫化锂室温下电子导率极低（< 10−30 S cm−1），使得电极反应需要在很大的过电势下进行；正极反应涉及到固–液–固的相转变过程，中间产物多硫化锂易溶、易扩散、易发生不可逆的沉淀，造成了反应动力学上的缓慢和循环容量的不断衰减。这些问题阻碍了锂硫电池实际性能的进一步提升。氧化还原介体（Redox Mediator）作为一种可溶解的电化学活性添加剂，是克服锂硫电池固有的液-固转化动力学缓慢的问题，促进锂硫电池实现商业化应用的最有前途的方法。 然而，氧化还原介体的扩散问题和其对锂负极的腐蚀通常限制了其活性的发挥并且不可避免地放大了正负极之间的穿梭效应。

应用效果

本项目开发了一种用于锂硫电池的高分子基氧化还原介体，其中，可溶性氧化还原活性单体被高分子链半限域，以增强在硫正极中的介导效率并防止其在正负极之间的扩散。

凭借其适宜的氧化还原电位、高度的电化学可逆性和快速的反应动力学，这种高分子基的氧化还原介体被证明能有效提升含硫物种的利用率并降低反应过电势。在正极中引入仅5 wt.%的该添加剂，就能使锂硫电池的比容量从810 mAh g–1增加到超过1000 mAh g–1，且在超过300圈循环后仍然具有约 97.8％的高库仑效率。通过引入这种添加剂，在锂硫软包电池中实现了391 Wh kg–1的能量密度，接近《中国制造2025》中对于动力电池能量密度在2025年达到400 Wh kg–1的要求，在国内外的研究中亦居于领先地位。这种高分子基的氧化还原介体作为一种简单、低成本、高兼容性的添加剂策略，不仅大大推动了锂硫电池的性能提升与实际应用，而且填补了对锂–硫化学中传质、转化和沉积行为的认识，启发了对于高性能储能器件的设计思路。