国家安研院、中国安科院周航宇博士研究进展：催化型隔膜助力高安全、长寿命锂硫电池！

通讯单位：国家安研院，中国安科院

【研究亮点】

锂硫电池中多硫中间产物易溶解于醚类电解液，迁移至锂负极引发寄生反应，由此形成的“穿梭效应”使得电池循环寿命和安全性能面临重大挑战。本文提出了一种催化型隔膜设计思路，揭示了三相界面电化学反应动力学调控是提高多硫化物转化动力学、降低穿梭效应、提高锂负极寿命的关键。匹配催化型隔膜锂硫电池实现了超500次的稳定循环，在10 μL mg⁻¹低液硫比条件下循环200次保持了80.6%的容量保持率。这项工作是界面微结构设计在锂硫电池隔膜领域的新探索。

【主要内容】

锂硫电池具备高达1675 mAh g⁻¹的理论容量以及2600 Wh kg⁻¹的能量密度，是极具应用前景的先进锂金属二次电池技术。然而，锂硫电池中多硫中间产物易溶解于醚类电解液，迁移至锂负极引发寄生反应，由此形成的“穿梭效应”使得电池循环寿命和安全性能面临重大挑战。传统观点认为催化型隔膜能够抑制穿梭效应，延长电化学寿命。然而设计高催化活性的隔膜，提升界面转换反应动力学，优化锂离子沉积动力学，实现锂硫电池长循环寿命和高安全性仍是挑战性难题。

基于以上研究现状和挑战，中国安科院/国家安研院康荣学研究员团队从材料表面化学调控和微结构设计角度，重新审视了催化型隔膜的界面动力学迟滞问题，揭示平衡化学吸附作用和表面扩散是提升催化型隔膜界面电化学转换反应动力学的关键，提出一种电化学活性多孔骨架（EPA）。在该工作中，作者系统研究了隔膜微结构和界面化学作用对电化学固-液转换反应动力学的构效关系，揭示极性化合物纳米颗粒-多硫组分-导电基底形成的三相界面具备优异的电化学转换反应动力学，能够有效改善多硫组分团聚导致的电化学极化，调控锂负极沉积行为。凭借这些优点，匹配EPA隔膜的锂硫电池在0.5C充放电电流密度下实现了超500次的稳定循环，单圈容量损失率仅为0.026%，在10 μL mg⁻¹低液硫比条件下循环200次保持了80.6%的容量保持率，实现了高安全性和长循环寿命。这项工作是界面结构设计在锂硫电池隔膜领域的新探索。

近年来，研究团队针对电化学能源存在的安全风险，提出了分子弱相互作用主导的电化学界面调控策略，开发出室温性能优异的全固态锂金属电池器件（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202306948）；设计了一种具备正温度系数特性的安全集流体，提升了锂电池热失控风险防控能力，并申请了相关专利（CN 117936996.A）；总结了过渡金属二硫化物在气体传感中的应用（Chemosensors 2024, 12, 85），从缺陷调控、表征技术、传感机理、缺陷-气体传感构效关系等方面开展综述；为设计智能感知材料，精准识别热失控灾害强相关气体（氢气、氧气、一氧化碳等），提升电化学能源安全风险防控能力提供基础。

Figure 1. Graphic abstract.

Figure 2. Illustration of rational design and preparation of the EPA interlayer. (a) Preparation process of the EPA interlayer and (b) its effect mechanism in lithium-sulfur batteries.

Figure 3. Cycling performance of Li-S batteries with TMM (red) and EPA+TMM (black) at 30 °C.

Figure 4. Cross-section images of cycled lithium anode of batteries using EPA+TMM (left) and TMM (right).

【文献信息】

Electrochemical active interlayer with porous architecture for reliable lithium–sulfur batteries

Hang-Yu Zhou, Xuan Cao, Zi-Rui Qiao, Shang Gao, Pan Zhou, Shuai-Shuai Yan, Qing Zhang, Cheng-Hui Li, Wen-Hui Hou, Yang Lu, Kai Liu, Rong-Xue Kang

J. Electroanal. Chem. 2024, 996, 118382, 10.1016/j.jelechem.2024.118382

【作者简介】

第一作者

周航宇 工程师，清华大学博士后，应急管理部国家安全科学与工程研究院新型储能安全研究基地智能安全材料研究中心项目负责人。主要从事电池安全防控技术、高比能电池关键材料研究。中国化学会会员，英国物理学会（IOP）特约审稿人，ACS Appl. Mater. Interfaces、Frontiers in Energy Research和《中国安全生产科学技术》等期刊审稿人。主持国家重点研发计划中德政府专项子课题、中国博士后科学基金、中国安科院基本科研专项、中电国际电化学储能安全重点课题等项目4项，作为核心成员参与国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科委“揭榜挂帅”、北京市自然科学基金等科研项目，作为主要参与者编写国家安全生产综合集成创新基地报告。在Angew. Chem. Int. Ed.，ACS Appl. Mater. Interfaces，J. Colloid Interf. Sci.，Nat. Energy.，Nat. Commun.，CCS Chem.，Adv. Funct. Mater.，ACS Nano，Nano Lett.等国内外高水平期刊发表论文23篇，申请发明专利6项。