第一作者:  Gao Qiaomeng, Shen Zhengyuan

通讯作者: 赵勇/赫金玲

通讯单位: 河南大学

摘      要

高硫（S）负载阴极的构建是获得高能量密度锂硫（Li–S）电池的关键参数之一，但高硫负载阴极的缓慢氧化还原反应速率限制了开发过程。本文提出了一种基于金属配位聚合物的三维网络粘合剂，它可以提高S电极的反应速率和稳定性。与传统的线性聚合物粘合剂相比，金属配位聚合物粘合剂不仅可以通过三维交联增加S的负载量，还可以促进S与硫化锂（Li2S）之间的相互转化反应，避免电极钝化，提高正极的稳定性。在4–5 mg cm−2的S负载和5.5µL mg−1的E/S比下，第二个平台中的放电电压为2.04 V，使用金属配位聚合物粘合剂的初始容量为938 mA h g−1。此外，在100次循环之后，容量保持率接近87%。相比之下，第二个平台中的放电电压损失，使用PVDF粘合剂的初始容量为347 mA h g−1。它展示了金属配位聚合物粘合剂的先进性质，用于改善锂硫电池的性能。

研究要点

报道了一种具有3D网络结构的新型金属配位聚合物粘合剂，它可以增加S的负载量并加速硫的阴极反应。

与传统的聚偏氟乙烯（PVDF）粘合剂相比，Al3+配位的PEI（PEI-Al）网络粘合剂显著加速了多硫化物的转化，并促进了Li2S的3D沉积（图1）。此外，PEI-Al聚合物具有稳定的3D交联结构，可以有效缓解阴极反应过程中的体积膨胀。

在4.77 mg cm−2的S负载和7.42µL mg−1的电解质/硫（E/S）比下，PEI-Al粘合剂电池比聚乙烯亚胺（PEI）和PVDF粘合剂电池具有更小的极化。当E/S比进一步降低到5.52µL mg−1时，它在第二个平台上仍然显示出稳定的放电曲线，而基于PVDF和PEI粘合剂的电池由于反应动力学有限而没有显示出这一曲线。

图1. 具有三维金属配位聚合物（PEI-Al）粘合剂的Li–S电池示意图，用于增加S负载量并促进S↔ Li2S的转化。

图2. (a) Al2(SO4)3、PEI和PEI-Al溶液的光学照片。(b) Al2(SO4)3、PEI和PEI-Al溶液的紫外-可见光、(c-e)FTIR和(f,g)拉曼光谱（(d)和(e)是(c)的放大图像；(g)是(f)的放大图像）。(h) Al2（SO4）3和PEI-Al的XPS Al 2p光谱。

图3. (a）使用不同粘合剂的硫磺阴极的CV曲线。(b)不同粘结剂的阴极上Li2Sn到Li2S的还原过程和(c)Li2S到Li2Sn的氧化过程的Tafel图。(d) 使用PVDF、PEI和PEI-Al粘合剂的硫磺阴极的反应活化能的比较柱状图。(e) 在1V s-1的扫描速率下，使用不同粘合剂的对称电池的CV曲线。(f) PVDF、PEI和PEI-Al粘合剂的硫磺阴极的CV峰值电流与扫描速率的平方根的关系。

图4. (a）不同粘结剂/CB复合材料吸附的多硫化物溶液的光学照片。(b) 不同粘合剂/CB复合材料所吸附的聚硫溶液的紫外-可见光谱。(c) 不同粘结剂的聚硫溶液的光学照片。1小时、2小时、3小时、4小时和12小时后，(d)PVDF和(e)PEI-Al粘合剂的聚硫溶液的紫外-可见光谱。

图5. 原位拉曼测试，评估多硫化物反应的动力学。

图6. 在2.08V的电压下，碳纸表面（a）PVDF、（b）PEI和（c）PEI-Al表面）的恒电位放电曲线和嵌入的SEM图像。在2.35V的电压下，碳纸表面的恒电位电荷曲线和嵌入的SEM图像，d）PVDF，e）PEI，和f）PEI-Al表面。

图7. 不同粘合剂阴极的Li-S电池的电化学性能。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202301344