构建双功能非对称型纤维素凝胶电解质同时抑制穿梭效应和枝晶生长

研 究 背 景

随着电子储能设备的日益更新换代以及电动汽车领域的发展，锂硫电池具有超高的比容量（1675 mAh/g）和超高的能量密度（2600 Wh/kg）受到科研人员的广泛关注。但硫正极的多硫化物穿梭效应和锂负极的界面不稳定是阻碍高能量密度锂硫电池商业化的主要技术问题，单纯解决多硫化物穿梭或者锂枝晶生长的问题会导致存在安全隐患或电池寿命较短的不足。同时商业电解液的泄露问题也是实际应用过程需要重点关注的焦点。开发固态/凝胶电解质在高性能锂硫电池具有重要的研究意义。

文 章 简 介

基于此，南京林业大学付宇课题组在国际知名期Small上发表题为“Simultaneously Suppressing Shuttle Effect and Dendrite Growth in Lithium–Sulfur Batteries via Building Dual Functional Asymmetric-Cellulose Gel Electrolyte”的观点文章。该文章制备了一种非对称型纤维素电解质来解决锂硫电池中的穿梭效应以及锂枝晶生长的问题，为生物质材料在锂硫电池的应用提供了新的思路。



图1 非对称纤维素凝胶电解质的设计思路

本 文 要 点

要点一：UiO66/BP异质结的缺陷离子化工程

在之前的工作中，我们团队已经利用油水界面自组装的方法制备了UiO66/黑磷异质结（Chemical Engineering Journal, 2023, 454: 140250），但异质结对于多硫化锂的催化性能仍然不满意，因为MOF 材料对于多硫化物的吸附和催化性能较差。

为此，我们对异质结中的UiO66进行了缺陷化和离子化的处理，缺陷化使得UiO66暴露更多的金属Zr位点，提升了MOF的催化活性；离子化工程则使得配体氨基官能团季铵盐阳离子化，使得MOF能通过静电吸附效应捕获负电荷的多硫根离子。通过电化学测试表明多硫化锂在异质结界面上实现快速吸附-催化-转化的过程，有效地抑制了多硫化锂的穿梭效应。



图2 多硫化锂在异质结界面的吸附和催化转化机理图

要点二：阳离子型纤维素电解质稳定锂金属负极

针对纤维素电解质锂离子迁移数低而无法诱导离子在负极表面均匀沉积的过程，我们组提出了一种基于静电吸附机理的策略来提升锂离子迁移数。在纤维素网络中引入的季铵盐-N+(CH3)3官能团能通过静电作用吸附电解质中的阴离子，限制了阴离子的运动，从而使得纤维素的锂离子迁移数高达0.79。通过锂对称电池也证明阳离子型纤维素电解质有效稳定了锂负极，实现了长时间锂电镀/剥离过程中的平稳过电位。



图3 阳离子型纤维素电解质QACA对于锂负极稳定性测试及机理

要点三：抑制穿梭效应和枝晶生长的测试

将缺陷离子化的Di-UiO66/BP异质结通过真空抽滤到阳离子型纤维素电解质表面，组装电池并评估了非对称纤维素电解质对于锂硫电池电化学性能提升的影响。结果表明非对称电解质能同时抑制多硫化锂的穿梭效应和锂枝晶的生长，锂硫电池在1000圈循环后仍保留383.9mAh/g的高比容量，每圈容量衰减率仅为0.053%。