南京理工《Adv Mater》首次提出阻燃夹层概念，锂硫电池更安全！

编辑推荐：本文报道了一种阻燃聚磷腈（PPZ）共价改性的多孔石墨烯/碳化纤维素纸作为锂硫电池的多功能夹层。这项工作为使用PPZ基材料作为LiPS的强吸附剂，和面向未来增强安全性和电化学性能的下一代锂硫电池提供了可行的策略。

锂硫电池是下一代储能装置最有前途的候选电池之一，近年来因其理论容量高和能量密度高而受到越来越多的关注。然而，仍存在一些难以解决的科学和技术问题，如多硫化锂(LiPS)在电解质中的溶解，电导率低和严重的硫体积膨胀。多硫化锂(LiPS)的穿梭效应以及易燃有机电解质、硫阴极和锂阳极燃烧造成的安全隐患，严重限制了锂硫电池的实际应用。

南京理工大学朱俊武教授和付永胜教授领导的研究小组，首次提出了阻燃夹层的概念，为同时提高锂硫电池的安全性和电化学性能提供了一种全新的策略。相关论文以题为“Strong Chemical Interaction between Lithium Polysulfides and Flame‐Retardant Polyphosphazene for Lithium–Sulfur Batteries with Enhanced Safety and Electrochemical Performance”发表在Advanced Materials上。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202007549

本文提出的阻燃夹层中的聚苯硫醚不仅可以提高锂硫电池的安全性能，还可以提高其电化学性能。PPZ-HG-CCP与LiPS之间的强结合亲和力有效抑制了LiPS的穿梭效应，提高了锂硫电池的循环稳定性。此外，PPZ-HG-CCP夹层可用作新型3D集流体，构建阻燃“副电极”，可捕集溶解的硫并吸收大量电解质，显著降低硫阴极和电解质的易燃性，从而提高锂硫电池的安全性能。具有PPZ-HG-CCP中间层的Li-S电池显示出高放电容量和良好的稳定性。当硫负载量为8.0 mg cm^-2时，面容量可达6.5 mAh cm^-2。

图1a–e展示了一种构造PPZ-HG-CCP夹层的方法，该方法包括在N2保护下的两个浸渍过程和两个热处理步骤。HGO很容易通过π-π堆积和氢键相互作用与CP偶联，在干燥过程中形成HGO-CP (图1b)。煅烧后，HGO-CP通过减少HGO和CP碳化而转变为HG-CCP（图1c）。CCP的表面覆盖有大片HG，将HG-CCP浸入HCCP乙醇溶液后，可以将HCCP粘在HG-CCP表面（图1d）。

图1。a-e)PPZ-HG-CCP中间层的制作工艺说明。f)从HCCP-HG-CCP到PPZ-HG-CCP的机理图。g，h）用H型渗透设备渗透装置对HG-CCP中间层（g）PPZ-HG-CCP中间层（h）进行渗透实验。

为了考察了PPZ-HG-CCP对LiPS的吸附能力，在10ml二甲氧基乙烷/二氧环己烷（DME/DOL，"EN-US">20 mg HG-CCP和PPZ-HG-CCP中间层粉末。与HG-CCP混合6小时后，Li₂S₆溶液的颜色几乎没有变化，表明HG-CCP和Li₂S₆之间的吸附很弱(图2a)。与未处理的Li₂S₆溶液相比，PPZ-HG-CCP中Li₂S₆溶液的吸收峰强度显著降低，表明PPZ-HG-CCP对LiPS具有很强的亲和力，从而防止了LiPS的穿梭效应。为了进一步阐明PPZ和LiPS物种之间的强相互作用，进行了密度泛函理论计算PPZ-LiPS系统的结合能。如图2b所示，PPZ-Li2S2，PPZ-Li2S4，PPZ-Li2S6和PPZ-Li2S8的结合能分别为-0.965，-0.965，-1.174和-0.93 eV，表明PPZ聚合物和LiPS之间的强相互作用。

图2。a)分别加入HG-CCP和PPZ-HG-CCP前后Li₂S₆溶液的UV-vis光谱。HG-CCP和PPZ-HG-CCP粉末在DOL/DME溶液中捕获的Li₂S₆的图像。b）Li₂S₆在PPZ上的吸附构象和结合强度。PPZ与Li2Sx化学吸附及亲核取代反应的机理图。d-f）PPZ-HG-CCP和PPZ-HG-CCP-Li2Sx的N 1s (d)、2p (e)和S 2p(f)的XPS谱。g）Li2Sx和PPZ-Li2Sx的固态⁷Li MAS-NMR光谱。h）PPZ和PPZ-Li2Sx的³¹P MAS-NMR光谱。

图3。a，b）HG-CCP-S（a）和PPZ-HG-CCP-S（b）的阻燃性能c，d）燃烧前后HG-CCP-S和PPZ-HG-CCP-S的XPS光谱。e）具有HG-CCP和PPZ-HG-CCP中间层的Li-S电池在不同温度下的循环。f）不同中间层的Li-S电池在75℃时的循环性能。

图4 Li-S电池中PPZ-HG-CCP阻燃夹层示意图。a)在工作条件下，PPZ-HG-CCP作为一个高效的LiPS分流器。b，c）在热触发时，PPZ将分解并形成覆盖硫表面的绝缘致密阻燃聚合物层。

综上所述，研究人员用简便的方法合成了一种具有阻燃性能的多功能PPZ-HG-CCP中间层。该方法不仅提高了Li-S电池的安全性能，而且可以增强电化学性能和锂硫电池的循环稳定性。该方法可以在不改变电极结构的情况下，通过简单的组合集成到其他优化器件中，在锂硫电池领域具有广阔的应用前景。（文：8 Mile）