为了克服Li–S阴极在锂化/脱锂过程中的绝缘性、穿梭效应和元素硫的体积变化,人们开发了许多策略,包括将硫封装到导电碳中,如石墨烯/氧化石墨烯。然而,由于碳基体与多硫化物之间的弱物理相互作用,它们仍然不能作为完美的宿主型阴极来克服循环过程中的容量退化。一种增强多硫化物相互作用的有效方法是在共轭碳基体中引入杂环来增强多硫化物与底物的相互作用。虽然已有一些掺杂S的共价骨架阴极具有优异的可逆性,但由于其硫含量较低(小于30%),限制了其实际应用。 为了解决这一问题,中国石油大学李忠涛和吴明铂等研究人员,采用二氨基柠檬腈(DAMN)为前驱体,在密封釜中对熔融硫进行热掺杂。相关论文以题为“Controllable Substitution of S Radicals on Triazine CovalentFramework to Expedite Degradation of Polysulfides”发表在Small上。 论文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202004631
图1 a) DAMN单体、NC和S-NC的FT-IR光谱。b) DAMN单体、NC、S-NC的13C MAS固态核磁共振谱实验数据。c)S-NC的高分辨率S2p XPS谱图。d) S-NC和NC的高分辨率N1s XPS光谱。 为了进一步了解掺杂S的状态,图2a显示了五个样品的电子顺磁共振(EPR)光谱,所有样品在g=2.00处都显示了类似的信号,这归因于S自由基。S-NC的稳定效果也可以通过图2b的热重分析(TGA)来确定。S-NC的主要热失重为300-400℃,远高于升华S和NC/S。
图2 a) S-NC、S-NC/S、NC/S、NC、单质硫的EPR曲线。b) S-NC/S、单质硫、NC/S的TGA曲线。c) S-NC/S和NC/S的XRD谱图。d)高分辨率的S-NC/S和NC/S C1s XPS光谱。 在图3a中,采用S-NC/S阴极组装的锂-硫电池在80次循环后可保持931.8 mAh g−1的高放电容量,库仑效率为99.12%,远高于80次循环后的NC/S电极(718.7 mAh g−1),库仑效率为98.82%。研究人员研究了S-NC/S电极在更高电流密度(图3b)下的长期稳定性,1000次循环后还有399.9 mAh g−1的放电容量,相当于每个循环中仅0.052%的容量衰减。在UV-vis光谱中(图3c),加入S-NC后,溶液中Li2S6的紫外吸收峰也明显下降。