中科院兰州化物所张俊平团队Angew：天然绿茶多酚增强的离子选择性隔膜助力高负载、低液流比锂-硫电池

锂-硫电池被认为是最具前景的电化学储能技术之一。然而，可溶性中间产物的穿梭会导致锂-硫电池的容量迅速衰减和循环稳定性降低，严重时甚至引发短路。这些电化学挑战对锂-硫电池的实际应用构成了严重障碍，尤其是在高硫负载（> 5 mg cm−2）、低电解液与硫比值（< 5 μL mg−1）及少锂等条件下。

研究表明，设计一种能阻止可溶性中间产物穿梭并促进锂离子快速传递的离子选择性隔膜，是解决锂-硫电池关键技术瓶颈的有效方法。然而，基于低成本、环保、普适性良好的设计理念，制备这类高性能的离子选择性隔膜仍然面临巨大挑战。

近日，中国科学院兰州化物所的张俊平研究员团队在前期研究的基础上，以绿茶为研究对象，采用绿茶衍生多酚类化合物自发沉积在聚丙烯（PP）隔膜上制备了一种天然绿茶多酚增强的离子选择性隔膜，有效提升了锂-硫电池的电化学性能，尤其是在高硫负载、低电解液与硫比值及有限锂过量的条件下。这一成果近期“Natural Polyphenol-Reinforced Ion-Selective Separators for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries with High Sulfur Loading and Lean Electrolyte”为题，发表在《 Angewandte Chemie International Edition》上。文章的第一作者是中国科学院兰州化物所的杨燕飞副研究员，通讯作者是中国科学院兰州化物所的张俊平研究员。该研究工作得到了国家自然科学基金（22305255、22275200）。

图1.使用（a）PP隔膜和（b）天然绿茶多酚增强的离子选择性隔膜组装的锂-硫电池中隔膜与电极间界面演变的示意图。

图2.隔膜的性能调控

该隔膜的性能可以通过调节其微观结构（如：表面粗糙度、孔隙率和茶多酚涂层的厚度）进行定制，而这一调节过程仅需通过改变绿茶水溶液的浸泡时间来实现。这种方法不仅简便，也为高性能的离子选择性隔膜的设计提供了新的思路。

图3.隔膜的离子选择性传递行为和机理

天然绿茶多酚增强的离子选择性隔膜不仅实现了快速的锂离子传输，还展现出了卓越的可溶性中间产物的抑制能力，其中Li 2S 4、Li 2S 6和Li 2S 8的穿梭率分别低至0.67%、0.19%和0.10%。这种优异的离子选择性归功于多酚化合物的高度电子亲和力和强烈的亲锂特性。

图4.隔膜对锂-硫电池电化学性能的影响

以5.7 mg cm −2的硫负载、5.1 μL mg −1的液流比和50 μm的锂箔阳极组装的锂-硫电池，不仅实现了高达4.2 mAh cm −2的高面容量，还展现了良好的倍率性能和循环稳定性。此外，该隔膜也显著增强了其他锂金属电池的倍率性能和循环稳定性，包括Li-LiFePO 4电池和Li-LiNi 0.5Co 0.2Mn 0.3O 2电池。

本研究有望推动天然多酚化合物在先进能源存储系统中的应用探索，促进相关领域的进一步发展。

全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202417031

来源：高分子科学前沿

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