香港理工大学Jeongyeon Lee和成均馆大学--多功能聚酞菁包覆碳纳米管作为锂硫电池的高效氧化还原介质

金属酞菁 (Pc) 配合物由于其可调的性质和独特的 π 电子结构被认为是有前途的功能有机材料。尽管有这些优点，但聚合物金属 Pc 在锂硫 ( Li S) 电池中的应用仍有待探索。在此，这项工作展示了三乙二醇连接剂(TCP)的多功能聚合钴Pc的分子设计，其可以为Pc中心的Co离子提供氧化还原中介能力，N原子与Li的强极性相互作用，以及用于高效Li- S电池的仿冠醚亲石位点。结果表明，TCP/MCs中的TCP由于具有氧化还原介导能力，促进了LiPS的吸收和转化反应动力学，而TCP/MCs的TEG连接物中含有亲石位点，可结合Li离子。此外，TCP/MCs在放电过程中显著增强了Li₂S的析出形貌，同时抑制了充电过程中含绝缘性S复合材料簇簇的持续形成。因此，S@TCP/MC电极在0.1和5.0 C(分别为1392.8和667.9 mA h g⁻¹)时具有出色的速率性能，具有较高的初始容量。S@TCP/MC电极循环性能稳定，循环200次后容量衰减率为0.092%，容量保持率为81.5%。此外，即使在高S负载(6.6 mg cm⁻²)下，S@TCP/MC电极在0.2℃时的初始容量为1032 mA h g⁻¹，对应的面积容量为6.83 mA h cm⁻²。

         

          Fig 1. a) S@TCP /MCs电极合成示意图。b) TCP/MC 的 STEM 图像。c) TCP/MC 的边界图像取自 (b) 中红色虚线矩形标记的区域。d) 原始 MC 的边界图像。e) 对应于 TCP/MC 的 STEM 图像的元素映射图像。

          Fig 2. a) UV-vis b) 拉曼和 c) TCP/MC、TCP 和 MC 的 FTIR 光谱。TCP/MC 的 d) Co 2p、e) N 1s、f) O 1s 和 g) C 1s 峰的高分辨率 XPS 图。

          Fig 3. a) Li₂S₆溶液吸附前后的紫外-可见光谱（插图：上述溶液的光学图像）。b) 包含 TCP/MC 的对称单元与包含 MC 的单元相比的 CV 曲线。c,d) Li₂S₈溶液在TCP/MC 和MC 电极上的恒电位成核曲线（插图：Li₂S 成核后TCP/MC 和MC 的SEM 图像）。

     

          Fig 4. a) 扫描速率为 0.1 mV s^-1 时的 CV 曲线，和 b) 与S@mTCP /MC和S@MC电极相比，S@TCP /MC 电极在 0.1 C 时的恒电流充放电曲线。c) S@TCP /MC、S@mTCP /MC 和S@MC电极在不同电流密度下的倍率性能。d)不同电流密度下的Q _L /Q _H比。e) 0.2 C、f) 1.0 C 和 g) 0.2 C 下的循环性能，含高 S 负载。

          Fig 5. a) 液-固还原过程的 Tafel 图（第二个阴极峰）。b) S@TCP /MC、S@mTCP /MC 和S@MC阴极的奈奎斯特图。c)低频区实际电阻（Z'）与角速度平方根倒数（ω^−1/2处）的关系。CV 曲线中 d) 第二个阴极峰和 e) 第一个阳极峰处电流值与不同材料速率平方根的关系图。f) S@TCP /MC、S@mTCP /MC 和S@MC正极的锂离子扩散系数。

          Fig 6. DFT 计算 a) Li₂S₆吸附在 TCP 上的分子结构和 b) TCP 位点 1-4处的锂离子结合能与碳-接头连接的 CoPc 位点 1-4 处的锂离子结合能的比较。吸附Li₂S₆之前和之后 TCP/MC 的 c) Co 2p、d) N 1s 和 e) O 1s 峰的 XPS 图。S@TCP /MC 电极 f) 循环前和 g) 100 次放电-充电循环后的 SEM 图像。MCs 的 SEM 图像 h) 循环前和 i) 100 次充放电循环后。

相关研究工作由香港理工大学Jeongyeon Lee和成均馆大学Ho Seok Park课题组于2023年在线发表在《Advanced Energy Materials》期刊上，原文：Multifunctional Polymeric Phthalocyanine-Coated Carbon Nanotubes for Efficient Redox Mediators of Lithium–Sulfur Batteries。