AFM: 含硫共价有机框架对锂硫电池隔膜的结构和功能优化

文章总结

多硫化物穿梭效应和锂枝晶的生长是高性能锂硫（Li-S）电池发展所面临的主要挑战。在这项研究工作中，设计了一种基于噻唑的共价有机框架（TTT-COF）来对隔膜进行改性，从而为应对这些挑战提供了一种有效的策略。一系列的化学结构分析和电化学测试表明，TTT-COF 中连接键的改性增强了 π 电子的离域性，且活性位点主要通过引入的相邻杂原子所产生的电子效应而被激活。这不仅有利于多硫化物的电催化转化，还能促进锂离子（Li⁺）/ 电子的迁移，进而减轻锂枝晶的形成。实验结果表明，经过改性的电池在 1.0 C 的电流密度下初始比容量可达 987.3 mA h g⁻¹，在循环 800 次后，其比容量每循环一次的衰减率仅为 0.082% 。

图文简介

a) 共价有机框架（COF）材料合成的示意图概述：i) 该示意图展示了通过席夫碱反应合成亚胺连接的 TTI-COF 以及通过对 TTI-COF 进行后合成修饰来制备噻唑连接的 TTT-COF 的过程。ii) 用于说明 TTT-COF 合成中所采用的亚胺向噻唑转化的模型反应。iii) 处于重叠（AA）堆积模式的理想 TTT-COF 的俯视图和侧视图。b) TTT-COF 的粉末 X 射线衍射（PXRD）图谱及 Pawley 精修结果。c) 氮气吸附 - 脱附等温线。d) 硫（S）的 2p 轨道 X 射线光电子能谱（XPS）图谱。e) 傅里叶变换红外（FT-IR）光谱，插图为氮碳双键（N = C）振动特征区域的放大图。f) 固态碳 - （

13C）核磁共振（NMR）光谱。

a) TTI-COF 和 b) TTT-COF 的扫描电子显微镜（SEM）图像。c) 不同放大倍数下的 TTI-COF 以及 d) 不同放大倍数下的 TTT-COF 的高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）图像。e) TTT-COF 的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像以及其中碳（C）、氮（N）和硫（S）元素对应的元素分布图。

a) 组装有不同隔膜的锂硫电池的图示对比：使用原始聚丙烯（PP）隔膜的电池会出现穿梭效应和锂枝晶生长现象，而使用 TTT-COF 改性隔膜的电池则抑制了穿梭效应且不会产生锂枝晶。b) 原始聚丙烯（PP）隔膜的表面扫描电子显微镜（SEM）形貌。c) 合成的共价有机框架（COF）改性隔膜的数码照片。不同改性隔膜的表面扫描电子显微镜（SEM）形貌：d) TTI-COF 隔膜和 e) TTT-COF 隔膜。合成的共价有机框架（COF）改性隔膜的横截面扫描电子显微镜（SEM）形貌：f) TTI-COF 隔膜和 g) TTT-COF 隔膜。h) 在不同隔膜上使用乙二醇二甲醚（DOL）/ 乙二醇二甲醚（DME）电解质进行的接触角测量结果。

a) 基于 TTI-COF 和 TTT-COF 改性隔膜的锂硫电池在扫描速率为 0.1 mV s⁻¹、电压范围在 1.6 V 至 2.8 V 之间的循环伏安（CV）曲线，以及 b) 局部放大图像，插图为液 - 固还原过程相应的塔菲尔（Tafel）曲线。c) 采用 TTT-COF 改性隔膜的电池在扫描速率为 0.1 至 0.5 mV s⁻¹ 时的循环伏安（CV）等高线图。d) 配备 TTI-COF 和 TTT-COF 改性隔膜的电池相应线性拟合得到的锂离子（Li⁺）扩散率。e) 采用 TTI-COF 和 TTT-COF 改性隔膜的电池的电化学阻抗谱（EIS）。f) 根据阿累尼乌斯（Arrhenius）公式对采用 TTI-COF 和 TTT-COF 改性隔膜的电池中多硫化锂（LiPS）转化的活化能（Ea）进行拟合的曲线图。g) 采用 TTT-COF 改性隔膜的电池的原位 X 射线衍射（XRD）等高线图。h) 采用 TTT-COF 改性隔膜的电池在硫化锂（Li₂S）成核区域放大后的原位 X 射线衍射（XRD）图谱。

论文信息

通讯作者：Jin Yang,  Shuang Li, Bo Yin

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