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具有物理和化学双重限制的多硫化物穿梭的高性能锂硫电池材料
锂硫电池具有高的理论比容量，比现有的商用正极材料容量高出一个数量级，同时硫作为正极材料还具有低成本、储量丰富和环境友好等优点，使得锂硫电池成为电化学储能装置中最有前景的候选者之一。但是，锂硫电池在走向实际应用过程中仍有许多问题亟待解决，如硫和放电产物硫化锂的低电导率、充放电过程中形成的可溶性多硫化物在正负极间穿梭以及硫在充放电过程中较大的体积变化（约80%），都会显著影响电池的倍率性能和循环寿命。为解决这些问题，相关研究主要聚焦在将多硫化物限制在碳基材料的孔隙或层内，以防止多硫化物的溶解，抑制穿梭效应。然而，碳材料表面是非极性的，不能与极性的多硫化物形成稳定的化学键，经过反复的充放电，多硫化物极易从碳材料的孔隙中脱出，难以有效抑制穿梭效应。因此，目前仍然需要发展有效抑制多硫化物穿梭的新方法来提高锂硫电池的性能。
为了进一步提高锂硫电池的电化学性能，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室先进炭材料部储能材料与器件研究组提出将碳纳米管对多硫化物的物理限制作用与有机硫聚合物中碳-硫键对多硫化物的化学限制作用相结合的思路，将有机硫聚合物装填到阳极氧化铝为模板合成出的碳纳米管中，制备出一种有机硫聚合物/碳纳米管复合材料（图1）。
图1. 有机硫聚合物（a）和有机硫聚合物/碳纳米管复合材料（b）的合成示意图；有机硫聚合物/碳纳米管复合材料（c）和膜电极（d）的扫描电镜照片；物理和化学双重限制的有机硫聚合物/碳纳米管与单一物理限制的硫/碳纳米管复合材料的倍率性能（e）和循环性能（f）对比。
该复合材料通过碳纳米管的管腔物理限制多硫化物溶解，同时利用有机硫化物聚合物中的碳-硫键进行化学方式固定硫，协同抑制了多硫化物的穿梭效应。此外，碳纳米管还提高了有机硫聚合物的导电性，并通过预留的空间来缓冲活性物质在充放电过程中的体积膨胀，从而保证了电极结构的稳定性，实现了良好的电化学性能。将无粘结剂、导电剂和金属集流体的一体式电极应用于锂硫电池中，在1 C的放电倍率下循环100次，容量高达880 mAh g-1，容量保持率为98%，远好于单一物理限制的硫/碳纳米管电极的电化学性能。因此，这种物理和化学双重限制的多硫化物穿梭的策略为获得高性能锂硫电池提供了一种新的解决途径。
相关研究结果发表在Advanced Materials 上。
该论文作者为：Guangjian Hu, Zhenhua Sun, Chao Shi, Ruopian Fang, Jing Chen, Pengxiang Hou, Chang Liu, Hui-Ming Cheng, Feng Li
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A Sulfur-Rich Copolymer@CNT Hybrid Cathode with Dual-Confinement of Polysulfides for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries
Adv. Mater., 2017, 29, 1603835, DOI: 10.1002/adma.201603835