鋰硫電池有機(jī)硫聚合物正極材料研究進(jìn)展

JournalofAdvancesi/10.12677/j鋰硫電池有機(jī)硫聚合物正極材料研究進(jìn)展1南通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇南通2蘇州大學(xué)能源學(xué)院，江蘇蘇州Email:jliu93@收稿日期：2021年7月2日；錄用日期：2021年7月16日；發(fā)布日期：2021年8月6日鋰-硫(Li-S)電池能量密度高，成本低，十分具有替代目前的商用鋰離子電池的潛力。然而在電池工作時(shí)，多硫化物的穿梭效應(yīng)極大地縮短了電池的循環(huán)壽命。近年來，硫共聚策略被認(rèn)為是提高Li-S電池穩(wěn)定性的一種創(chuàng)新而有效的方法，在該策略中，環(huán)狀硫被熔融成線型，隨后與可聚合的連接單體共聚形成穩(wěn)定的有機(jī)硫聚合物。由于硫與共聚物骨架之間形成強(qiáng)共價(jià)鍵，因此在循環(huán)時(shí)可以有效地抑制多硫化物的溶解。本文綜述了鋰硫電池有機(jī)硫共聚物正極材料方面的相關(guān)研究進(jìn)展。有機(jī)硫聚合物，正極材料，鋰硫電池ResearchProgressofOrganicSulfurPolymerCathodeMaterialsforLithium-SulfurBatteriesSiyiQian1,YuzhuoJiang1,YufengCao1,TaoQian1,2,ChenglinYan2,JieLiu1,21SchoolofChemistryandChemicalEngineering,NantongUniversity,NantongJiangsu2SchoolofEnergy,SoochowUniversity,SuzhouJiangsuEmail:jliu93@Received:Jul.2nd,2021;accepted:Jul.16th,2021;published:Aug.6th,2021AbstractLithium-sulfur(Li-S)batterieshavethepotentialtoreplacecurrentcommerciallithium-ionbatte-riesbecauseoftheirhighenergydensityandlowcost.However,theshuttleeffectofpolysulfidegreatlyshortensthecyclelifeofthebatteryinoperation.Inrecentyears,thesulfurcopolymeriza-tionstrategyhasbeenconsideredasaninnovativeandeffectivemethodtoimprovethestabilityof文章引用:錢思逸,蔣玉卓,曹宇鋒,錢濤,晏成林,劉杰.鋰硫電池有機(jī)硫展,2021,10(3):41-50.DOI:10.12677/japc.20DOI:10.12677/japc.2021.10300542物理化學(xué)進(jìn)展Li-Sbatteries.Inthisstrategy,thecyclicsulfurisfusedintoalinearformandthencopolymerizedwiththepolymerizablelinkingmonomertoformastableorganicsulfurpolymer.Becauseofthestrongcovalentbondbetweensulfurandthecopolymerskeleton,thedissolutionofpolysulfidecanbeeffectivelyinhibitedduringcycling.Inthispaper,theresearchprogressoforganicsulfurcopolymercathodematerialsforlithium-sulfurbatteriesisreviewed.OrganicSulfurPolymers,CathodeMaterials,Lithium-SulfurBatteriesCopyright?2021byauthor(s)andHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY4.0)./licenses/by/4.0/OpenAccess近年來，全球能源需求的不斷增長對高能量密度、低成本及長壽命的儲能設(shè)備提出更高要求，開發(fā)先進(jìn)的儲能系統(tǒng)成為當(dāng)代的主要技術(shù)和科學(xué)挑戰(zhàn)[1][2][3]。迄今為止，鋰離子電池(LIB)是最成熟的技術(shù)[4][5][6][7]。但是其最高能量密度已達(dá)到理論極限[8]，很難滿足新興的電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車的需求。因此，開發(fā)能量密度更高的電池系統(tǒng)引起了廣泛的關(guān)注[9][10][11]。以金屬鋰作為負(fù)極，硫作正極的Li-S電池由于其低成本和高理論能量密度(2600Wh/kg)成為最有前景的候選者之一[12]-[17]。典型Li-S電池的可逆反應(yīng)為：2Li++2e–+xS?Li2Sx(1≤x≤8)[18]，其放電過程的轉(zhuǎn)化可以簡單地表示如下：S8→Li2S8→Li2S6Li2S4→Li2S2Li2S[19]。相應(yīng)的放電曲線通常由兩個(gè)電壓平臺組成，其中2.3V時(shí)的高電壓平臺對應(yīng)環(huán)狀S8開環(huán)還原為長鏈多硫化鋰(Li2Sx,4<x≤8)的過程，而2.1V的低電壓平臺與長鏈多硫化物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為Li2S2和Li2S有關(guān)[20]。Li-S電池在實(shí)際應(yīng)用中也面臨著諸多挑戰(zhàn)：1)硫和硫化鋰的絕緣性使得活性材料的利用率降低；2)由于硫和硫化鋰的密度分別為2.06g/cm3和1.66g/cm3，因而活性物質(zhì)在放電/充電過程中的體積變化高達(dá)80%；3)循環(huán)過程中多硫化物溶解和遷移會造成嚴(yán)重的穿梭效應(yīng)，大大降低正極的利用率，加速電池容量的衰退[8][21]；4)鋰離子不均勻沉積形成的鋰枝晶可能會導(dǎo)致循環(huán)過程中發(fā)生短路。其中穿梭效應(yīng)的影響最為突出，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到Li-S電池的能量密度和壽命。傳統(tǒng)鋰離子電池的容量發(fā)揮可達(dá)到理論容量的90%，而Li-S電池的容量發(fā)揮普遍低于理論值的70%[22]。第一種策略主要是在正極或電解質(zhì)中加入功能材料，例如碳納米材料(碳納米管、石墨烯、碳納米纖維和多孔碳)[23][24][25][26]、聚合物[27][28][29]、金屬氧化物[30][31][32]、離子液體等。其工作機(jī)理是將多硫化物限制在多孔材料的孔隙中，或者是通過化學(xué)鍵合/物理吸附將多硫化物固定在功能材料的表面，以及降低多硫化物在電解質(zhì)中的溶解度。第二種策略主要是通過修飾隔膜或著插入中間層來阻礙多硫化物的擴(kuò)散[33]。到目前為止已經(jīng)有許多文章探究過了抑制或避免多硫化物溶解和穿梭的方法。科學(xué)家最先將硫物理封裝在各種導(dǎo)電框架中，然而，由于活性位點(diǎn)和內(nèi)部空間有限，正極材料的結(jié)構(gòu)會隨著多硫化物的積累而逐漸瓦解。盡管這些復(fù)合正極可以在初始充放電循環(huán)中展現(xiàn)很好的穩(wěn)定性，但是由于不斷的充放電循環(huán)仍會存在多硫化物的溶解，電池的電化學(xué)性能通常會在之后的循環(huán)中迅速下降。Guo等人[34]成功地將S2-4小分子限制在微孔碳中，表現(xiàn)出高的電化學(xué)活性和新的電化學(xué)行為，僅在約1.9V處有一個(gè)放電平臺，表明未生成長鏈多硫化物。而可溶性長鏈多硫化物的缺失有利于電池穩(wěn)定性的提升。然而由于難以控制微孔分布，同時(shí)復(fù)合材料中硫含量相對較低，所以難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。自從Wang等[35]首次設(shè)計(jì)出分DOI:10.12677/japc.2021.10300543物理化學(xué)進(jìn)展子水平的導(dǎo)電聚合物/硫復(fù)合材料并將其作為活性正極應(yīng)用于Li-S電池以來，共聚策略在Li-S體系中受到了越來越多的關(guān)注[36][37][38][39]。在自然環(huán)境下，元素硫主要以具有八個(gè)硫原子的環(huán)狀分子形式存在(S8)，一旦加熱到159℃,S8單體就會發(fā)生開環(huán)，并形成具有端自由基的線性多硫烷。隨著加熱溫度的持續(xù)升高，在發(fā)生聚合和解聚反應(yīng)的過程中生成了具有8~35個(gè)硫原子的聚合硫[37][40]。與不同的共聚單體共聚可以獲得化學(xué)性能穩(wěn)定的材料，并且碳骨架與硫之間的強(qiáng)共價(jià)鍵可以在一定程度上抑制長鏈多硫化物的溶解[37]。這些有機(jī)硫聚合物被證實(shí)能夠有效地改善Li-S電池的性能。很多綜述都總結(jié)了與Li-S電池的硫正極、負(fù)極和電解質(zhì)有關(guān)的問題[15][18][41][42][43][44]，但都沒有討論過有機(jī)硫共聚物正極在鋰硫電池中的應(yīng)用。這里我們總結(jié)了一些關(guān)于硫和不同單體(包括烯/炔烴、硫醇和腈類等)生成的共聚物作為Li-S電池的活性陰極的最新進(jìn)展，綜述了一些摻雜元素的新型聚合硫材料。元素硫與各種不飽和分子之間共聚生成富硫共聚物的方法已經(jīng)得到了廣泛研究。這些不飽和分子可以在更高的溫度下裂解不飽和鍵，并與開環(huán)硫共聚[45][46][47][48]。不飽和烴(如烯烴和炔烴)是獲得C-S共聚物的最簡單、最常用的有機(jī)物，復(fù)雜的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)確保了硫在共聚物中的共價(jià)結(jié)合。在電化學(xué)鋰化過程中高階多硫化物轉(zhuǎn)化為低階多硫化物，并在充電過程中轉(zhuǎn)變?yōu)?Sx-結(jié)構(gòu)，遵循這一原理，共聚物的鋰化/脫鋰機(jī)理與單質(zhì)硫基本相似，放電過程的最終產(chǎn)物是R-Li和Li2S[37][49]。Pyun的課題組[37]直接將元素硫與乙烯基單體共聚，以合成含硫量極高的聚合物材料(聚S-r-DIB)。方法是將1,3-二異丙烯基苯(DIB)直接溶解在高于159℃的熔融硫中，并在185℃下進(jìn)行S8與乙烯基單體的開環(huán)聚合，無需任何引發(fā)劑或有機(jī)溶劑(見圖1(a))[37]。與傳統(tǒng)的硫正極相比，以聚S-r-DIB作為正極材料的Li-S電池具有更好的循環(huán)能力和容量保持率。CV結(jié)果表明聚S-r-DIB的電化學(xué)活性和元素硫相似，因此其電化學(xué)行為也與S8相似(見圖1(b))[37]。2.3~2.4V內(nèi)的峰與高階有機(jī)硫鋰和Li2Sx的形成有關(guān)(4<x≤8)，持續(xù)放電轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物有機(jī)硫鋰、Li2S3和Li2S2(見圖1(d))[38]，對應(yīng)于2.0~2.1V的另一個(gè)峰。所得Li-S電池在0.1C時(shí)的初始放電容量為1100mAh/g，但100次循環(huán)后容量只有初始容量的74.8%。通過優(yōu)化正極，可以進(jìn)一步提高初始容量并且抑制容量衰減[38]。獲得的Li-S電池初始容量達(dá)到1225mAh/g，在100和300次循環(huán)后仍分別保持1005mAh/g和817mAh/g，庫侖效率始終為99%(見圖1(c))[38]。Figure1.(a)Syntheticschemeofstablepoly(S-r-DIB)(10wt%DIB,opencircles)atascanrateof20μV/s[37];(c)CyclingperformanceofLi-Sbatterthodeswithdifferentsulfurcontents;(d)Supposedelectrochemistryofpoly(S-r-DIB)copolymers[38]DOI:10.12677/japc.2021.10300544物理化學(xué)進(jìn)展Zentel等[50]報(bào)道了一種新型C-S共聚物，其一個(gè)鏈段與單質(zhì)硫相容，另一個(gè)鏈段與烯丙基封端的聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT)相容。Zentel等詳細(xì)研究了P3HT及其與硫的復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，并證實(shí)了硫與P3HT之間為共價(jià)連接。S-P3HT的NMR光譜表明硫沒有與芳族噻吩環(huán)或脂族側(cè)鏈發(fā)生明顯的副反應(yīng)。S-P3HT正極循環(huán)100次后，容量仍可以達(dá)到838mAh/g。此外，炔烴也可與元素硫共聚形成與烯烴相似的富硫聚合物材料。Sun和Meng等[51]通過1,3-二乙炔基苯(DEB)和熔融硫的共聚反應(yīng)制備了含硫量高的新型聚合物陰極材料，該材料具有籠狀的半互穿網(wǎng)絡(luò)(semi-IPN)結(jié)構(gòu)。1HNMR表明共聚后DEB中的C≡C三鍵完全轉(zhuǎn)化為C-C單鍵。特殊的籠狀結(jié)構(gòu)有助于抑制多硫化物的溶解和擴(kuò)散。除不飽和烴外，硫醇有機(jī)物也可以通過巰基與硫的共價(jià)作用形成富硫共聚物。當(dāng)溫度高于180℃時(shí)，可以通過環(huán)狀S8的開環(huán)聚合反應(yīng)在巰基表面獲得線性多硫醚[52]。這些有機(jī)分子本身并不能聚合，但是可以通過巰基和硫自由基反應(yīng)，與熔融硫形成共聚物，使得硫均勻地分布在聚合物中。巰基-硫聚合物作為正極時(shí)充放電機(jī)理與不飽和烴-硫共聚物類似。Park等人[53]首次將開環(huán)硫浸漬到多孔TTCA骨架中，線性硫醚末端的硫基通過與巰基共價(jià)作用形成三維互聯(lián)的富硫聚合物(S-TTCA)。拉曼光譜顯示S8與TTCA晶體中的巰基反應(yīng)形成了S-S鍵，熱重分析(TGA)顯示傳統(tǒng)S-C骨架中S的重量損失始于180℃左右，在280℃時(shí)結(jié)束，表明小分子S與TTCA骨架之間的共價(jià)結(jié)合。S-TTCA的總含S量為63wt%。由于循環(huán)過程多硫化物顯著減少，TTCA骨架正極在循環(huán)450周后容量為850mAh/g，容量損失小于17%。為了進(jìn)一步增加硫含量，同時(shí)更好地將可溶性多硫化物限制在骨架中，Choi等[54]通過正交合成方法制備了一種硫浸漬的苯并惡嗪聚合物(S-BOP)，循環(huán)1000次后容量僅損失7.3%。這表明只要使用特定的單體，就可以獲得具有所需性能的共聚物。盡管逆硫化方法可以給共聚物提供相對較高的載硫量，但是線性多硫醚中嵌入大量的硫原子會導(dǎo)致長鏈多硫醚的生成，限制了穩(wěn)定性的提高。為此，我們將元素硫共價(jià)結(jié)合到巰基官能化的石墨烯納米片(S-GSH)上，并證實(shí)了當(dāng)八個(gè)硫原子嵌入共聚物時(shí)，主要的中間產(chǎn)物是短鏈多硫化物(Li2Sx，1≤x≤4)[55]，并由此提出了一種新的S-S鍵斷裂機(jī)制。通過密度泛函理論(DFT)計(jì)算，系統(tǒng)地研究了S-GSH的鋰化過程。中間的S-S鍵在聚合的硫鏈中最先斷裂，并且當(dāng)嵌入另外兩個(gè)鋰離子時(shí)，中間體最可能是Li2S4。得到的Li2S4在隨后的鋰化過程進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為Li2S2或Li2S和Li2S3，最終變成硫化鋰。為了驗(yàn)證S-GSH充放電過程鋰化機(jī)制，我們進(jìn)行了原位紫外吸收光譜表征，自行設(shè)計(jì)了原位表征電池模具。在S-GSH循環(huán)期間，并未在原位吸收光譜一階導(dǎo)曲線中檢測到長鏈多硫化物，而傳統(tǒng)硫正極材料的原位紫外一階導(dǎo)曲線連續(xù)從560nm移至480nm，這是由于多硫化鋰從高階到低階的轉(zhuǎn)變，這一結(jié)果表明S-GSH在放電過程中主要產(chǎn)生的是短鏈多硫化物。S-GSH正極在循環(huán)450周后，電池容量損失僅為13%。不同于傳統(tǒng)硫正極材料，通過該種方法獲得的硫聚合物正極材料在電池充放電過程中直接產(chǎn)生短鏈中間產(chǎn)物，有效地從根本上抑制了易溶性長鏈多硫化鋰的產(chǎn)生，從而有效提升了鋰硫電池的長期循環(huán)穩(wěn)定性。含有S2-4小分子的S-C復(fù)合材料具有理想的電化學(xué)性能。硫是有效的脫氫劑，因此可以在氬氣保護(hù)條件下將升華的硫和聚丙烯腈(PAN)的混合物于280℃至300℃下加熱6小時(shí)，從而形成具有共軛電子的導(dǎo)電聚合物-硫復(fù)合物(見圖2(a))[39][56]。脫氫導(dǎo)致PAN發(fā)生環(huán)化，有助于形成骨架結(jié)構(gòu)和硫的規(guī)則分布，并能達(dá)到較高的硫負(fù)載量。雖然硫和PAN都絕緣，但SPAN具有10?4S/cm的優(yōu)異電導(dǎo)率。在放DOI:10.12677/japc.2021.10300545物理化學(xué)進(jìn)展電過程中，斷開的-Sx-鏈?zhǔn)紫壬?SyLi段，隨后y的值逐漸降低直到C-S鍵斷裂，最終形成不溶的Li2S。在充電過程中，碳共軛鍵先失去電子生成自由基，再迅速和Li2S結(jié)合生成C-SLi，并通過進(jìn)一步充電重新生成-Sx-鏈[57]。2003年，Wang基于之前的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，SPAN納米復(fù)合材料可作為活性正極應(yīng)用于Li-S電池中，且具有唯一的放電平臺，但并未進(jìn)行詳細(xì)分析[56]。最近，人們再次注意到SPAN，并對該復(fù)合材料的電化學(xué)性能進(jìn)行了許多后續(xù)研究。Yu[57]和Fanous等[58]提出了如圖2(b)和圖2(c)所示的兩種結(jié)構(gòu)，其中-Sx-短鏈與脫氫環(huán)化的PAN主鏈共價(jià)結(jié)合。Zhang[58]認(rèn)為這兩種結(jié)構(gòu)并不準(zhǔn)確，因?yàn)镃/H摩爾比和其他研究的結(jié)果不吻合[39][58][59][60]。元素分析和熱重分析-質(zhì)譜(TG-MS)分析表明，SPAN的結(jié)構(gòu)更像圖2(d)和圖2(e)[59]。-Sx-鏈中x的平均值為3.37(x=n+2)，最大值應(yīng)該小于4，否則-Sx-鏈在放電過程中會轉(zhuǎn)變?yōu)殚L鏈多硫化物，導(dǎo)致多硫化物穿梭，循環(huán)性能變差。Figure2.(a)Possiblethermo-reactionbetweenPANandsulfur[56];TwopossiblemolecularstructuresofSPANaccordingto(b)Yu’sand(c)Fanous’sreports[57][58];(d)-(e)ZhangrevisedstructuresofSPAN[59]Archer[61]使用電化學(xué)和光譜學(xué)儀器來驗(yàn)證這些腈基-硫聚合物材料在鋰化和脫鋰過程的假設(shè)。如圖3(a)所示，反應(yīng)1和2假設(shè)與導(dǎo)電聚合物主體牢固連接的S-S鍵能夠可逆地裂解和重組[61]。共聚物中的每個(gè)硫原子都涉及單電子轉(zhuǎn)移，這使得電池的理論比容量為837mAh/g，放電產(chǎn)物為RS-Li和Li2S。在反應(yīng)3和4中，R-S鍵在鋰化過程中完全斷裂，Li2S是唯一的含硫鋰化產(chǎn)物，每個(gè)硫原子有兩個(gè)電子轉(zhuǎn)移，理論容量為1675mAh/g。值得注意的是，基于這種正極的電池的電化學(xué)充放電曲線不存在較高電位的(2.35V)還原過程(見圖3(b))[61]，這意味著在這種正極中硫可以以S8以外的形式存在。該材料在0.4C下循環(huán)1000周后仍具有出色的循環(huán)穩(wěn)定性，這是因?yàn)楫?dāng)SPAN被鋰化時(shí)，可以直接形成較小的Sx(x=2?4)分子，缺點(diǎn)是該材料比容量較低。Coskun[62]報(bào)道了一種硫共價(jià)三嗪骨架(S-CTF-1)，硫在160℃下熔化，且在400℃下引發(fā)開環(huán)聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)化為線性硫烷，S被共價(jià)結(jié)合并均勻分布在微孔中，高分辨率XPS證實(shí)了硫成功地?fù)饺隒TF-1結(jié)構(gòu)中。雖然S-CTF-1在循環(huán)300周后容量損失僅為14.2%，但通過化學(xué)浸漬法該復(fù)合材料的硫含量較低(僅62wt%)。DOI:10.12677/japc.2021.10300546物理化學(xué)進(jìn)展Figure3.(a)PossiblelithiationmechanismsofSPANnanocomposites;(b)Discharge-chargecurvesofSPAN[61]圖3.(a)SPAN納米材料可能的鋰化機(jī)理和(b)SPAN不同循環(huán)的充放電曲線[腈類衍生的有機(jī)硫聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)可以看作是短鏈-Sx-共價(jià)鍵合到含有吡啶N單元的環(huán)化碳骨架上[57]。共聚物直接轉(zhuǎn)化為不溶性Li2S，從而避免了多硫化鋰的穿梭，所得電池具有良好的循環(huán)性能。然而與其他共聚物相比，腈類衍生的有機(jī)硫聚合物有一些明顯的缺點(diǎn)，例如硫含量較低、放電電壓相對較低(約1.85V)。因?yàn)樵亓虻膶?dǎo)電性差，所以同時(shí)獲得高容量和高硫含量十分困難。異原子摻雜可以提高硫本身的電子傳導(dǎo)性，促進(jìn)硫吸附到碳主體上[63][64]。并且由于在放電過程中異原子-硫鍵優(yōu)先斷鍵，所以使用異原子摻雜的富硫聚合物作為正極材料是直接形成低階多硫化鋰的另一種方法?；谥瓣P(guān)于磷硫化合物(例如P2S，P4S3，P4S5，P4S10)的研究，Qian等[65]報(bào)道了一系列新的富硫化磷分子(P4S10+n)，并探究其在可充電電池中的應(yīng)用可能性。這些分子是通過元素硫與P4S10直接共熔制備的，將不同量的硫嵌入P4S10中，形成六個(gè)P-Sm-P鍵。作為電活性材料時(shí)，P4S10+n分子在循環(huán)時(shí)表現(xiàn)出特定的電化學(xué)機(jī)理，Li3PS4和Li2S可能是最終產(chǎn)物。P4S10+n中的P4S40分子具有最高的容量值。在100mA/g下，其初始放電容量為1223mAh/g，在500mA/g下循環(huán)100周后，穩(wěn)定在720mAh/g左右。Yan團(tuán)隊(duì)[66]以二烯丙基硫醚(DADS)為前體，通過SeS2粉末摻雜合成了硒摻雜的聚二烯丙基四硫醚(PDATtSSe)，將其用作鋰硫電池正極材料，增強(qiáng)了電子電導(dǎo)率并改善了鋰離子傳輸。同時(shí)，DFT模擬表明放電過程S-Se鍵斷裂最可能發(fā)生，確保了放電過程的中間產(chǎn)物是短鏈多硫化物，從而限制穿梭效應(yīng)。質(zhì)譜測量證實(shí)SeS2已成功地共價(jià)結(jié)合到DADS分子中。原位紫外光譜表征表明循環(huán)過程不存在長鏈可溶性多硫化物。獲得的Li-S電池循環(huán)容量為700mAh/g，循環(huán)400周后的容量損失僅8%，庫侖效率近乎100%。較高的電子/離子電導(dǎo)率和致密的電極結(jié)構(gòu)確保電池體積容量高達(dá)2457mAh/cm3，而活性物質(zhì)負(fù)載高達(dá)7.07mg/cm2時(shí)電池面積容量高達(dá)5.0mAh/cm2。通過異原子摻雜的方法，不僅有效抑制了溶解性長鏈多硫化鋰的產(chǎn)生，抑制了傳輸效應(yīng)，提升了電池穩(wěn)定性，而且增加了鋰硫電池的體積能量密度和導(dǎo)電性，是進(jìn)一步促進(jìn)鋰硫電池商業(yè)化應(yīng)用的重要方法參考。本綜述總結(jié)了有機(jī)硫聚合物正極材料的主要研究成果，主要包括烯烴/炔烴、硫醇和腈類衍生的有機(jī)硫共聚物。當(dāng)這些富硫共聚物在Li-S電池中循環(huán)時(shí)，S鏈與有機(jī)骨架共價(jià)相互作用并具有不同的鋰化/脫鋰機(jī)理，使其電化學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的硫正極材料。此外，本綜述也進(jìn)行了介紹一些異原子摻雜的硫聚合物材料，這些材料顯著提高了傳統(tǒng)硫材料的電子/離子電導(dǎo)率，同時(shí)相比于傳統(tǒng)電池，體積能量密度和DOI:10.12677/japc.2021.10300547物理化學(xué)進(jìn)展面積容量也得到了很大提升。國家自然科學(xué)基金(51622208，21703149)，江蘇省自然科學(xué)基金(BK20150338)。[1]Armand,M.andTarascon,J.M.(2008)BuildingBetterBatteries.N/10.1038/451652a[2]Goodenough,J.B.(2015)EnergyStorageMaterials:APerspec/10.1016/j.ensm.2015.07.001[3]Wang,X.,Chen,Y.,Sces.ChemicalSocietyReviews,45,1308-1330./10.1039/C5CS00708AfaceswithCoordinationComplexforStableLithium-IonBatteries.ACSAppliedMaterials&Interfaces,8,5358-5365./10.1021/acsami.5b12392/10.1016/j.electacta.2016.04.044[6]Zhou,J.,Qian,T.,Yang,T.,Wang,M.,Guo,J.andYan,C.(2015)NanomeshesofHCarbonEncapsulatedFe/Fe3CElectrodesasUltrafastandSChemistryA,3,15008-15014./10.1039/C5TA03312H[7]Yang,T.,Qian,T.,WanSynthesisofNitrogen-DopedGraphene/MnO2HybridsforUltralongCycle-LifeLithiumIonBatteries.JournalofMa-terialsChemistryA,3,6291-6296./10.1039/C4TA07208Atus,SolutionsandProspects.AdvancedMaterials,29,ArticleID:1606823./10.1002/adma.201606823productOkaratoHighContentNitrogen-DopedCarbonSheetsforEfficientSodiumIonBatteries.AdvancedMateri28,539-545./10.1002/adma.201503221[10]Xie,Y.,Chen,Y.,Liu,L.,Tao,P.dinicN-DopedPorousCarbonMonolithEnablingHigh-CapacityK-IonBatteryAnodesforBotFull-CellApplications.AdvancedMaterials,29,ArticleID:1702268./10.1002/adma.201702268CathodeMaterialsforLithium-SulfurBatteries.AdvancedEnergyMaterials,8,ArticleI/10.1002/aenm.201702607[12]Bruce,P.G.,FreunbergerStorage.NatureMaterials,11,19-29./10.1038/nmat3191[13]Evers,S.andNazar,L.F.(2013)NewAppcountsofChemicalResearch,46,1135-1143./10.1021/ar3001348Batteries.NatureMaterials,8,500-506./10.1038/nmat2460[15]Yang,Y.,Zheng,G.Y.andCui,Y.(2013)NanostructuredSulfur/10.1039/c2cs35256gPerformanceImprovement.EnergyStorageMaterials,2,76-106./10.1016/j.ensm.2015.09.007[17]Larcher,D.andTaNatureChemistry,7,19-29./10.1038/nchem.2085[18]Pang,Q.,Liang,X.,Kwok,C.YtionalCathodesandElectrolytes.NatureEnergy,1,16132-16142./10.1038/nenergy.2016.132Batteries,aMechanisticReview.Energy&EnvironmentalScience,8,3477-3494./10.1039/C5EE01388GDOI:10.12677/japc.2021.10300548物理化學(xué)進(jìn)展[20]Rosenman,A.,MarBatterySystems:AnIntegralPerspective.AdvancedEnergyMaterials,5,Article/10.1002/aenm.201500212[21]Liu,J.,Qian,T.,WanHigh-EfficiencyRecognitionandTrappingLithiumPolysulfidesforStableLithiu5064-5070./10.1021/acs.nanolett.7b02332thium-SulfurBattery.NanoToday,10,315-338./10.1016/j.nantod.2015.04.011[23]Cheng,X.B.,Huang,J.QCompositeCathodeswithHighSulfurContentforLithium-SulfurBatteries.Na/10.1016/j.nanoen.2013.12.013[24]Wang,H.,Yang,Y.,Liang,SulfurParticlesasaRechargeableLithium-SulfurBatteryCathodeMaterialwithHighCapacityandCyclinNanoLetters,11,2644-2647./10.1021/nl200658a[25]Zheng,G.,Yang,Y.,Cha,J.J.,Hong,S.S.andCuiforHighSpecificCapacityRechargeableLithiumBatt/10.1021/nl2027684[26]Jayaprakash,N.,Shen,J.,Moganty,S.S.,CorsitesforHigh-PowerLithium-SulfurBatteries./10.1002/ange.201100637(2012)ASoftApproachtoEncapsulateSulfurLife.AdvancedMaterials,24,1176-1181./10.1002/adma.201103392Structure:SynthesisandElectrochemicalPropertiesoftheCathodeforRechargeableLithiumBatteries.TheJournalofPhysicalChemistryC,115,6057-6063./10.1021/jp1114724CompositePositiveElectrodeMaterialsforRechargeableLithiumBatteries.ElectrochemicalActa,51,4634-4638./10.1016/j.electacta.2005.12.046[30]Choi,Y.J.,Jung,B.S.,PropertiesofSulfurElectrodeContainingNanoAl2O3forLithium/SulfurCell.PhysicaScripta,T12/10.1088/0031-8949/2007/T129/014Li-SulfurBatteryCathodes.AdvancedEnergyMaterials,2,1490-1496./10.1002/aenm.201200006Yolk-ShellNanoarchitecturewithInternalVoidSpaceforLong-CycleLithium-SulphurBatteries.NatureCommunica-tions,4,1331-1336./10.1038/ncomms2327[33]Chang,C.H.,Chung,S.H.andManthiram,A.(201ingInterlayersforAdvancedLi-SBatteries.SustainableEnergy/10.1039/C7SE00014FPromiseBetterLithium-SulfurBatteries.JournaloftheAm/10.1021/ja308170k[35]Wang,J.,Yang,J.,Xie,J.aRechargeableLithiumBatteries.AdvancedMaterial/10.1002/1521-4095(20020705)14:13/14<963::AID-ADMA963>3.0.CO;2-P[36]Kim,J.-S.,Hwang,T.H.,Kim,B.G.,Min,J.andgyDensity.AdvancedFunctionalMateria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