近日，北京化工大學材料科學與工程學院於中振教授、曲晉副教授等人在Small上發表題為“Mesoporous Yolk-Shell Structured Organosulfur Nanotubes with Abundant Internal Joints for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries by Kinetics Acceleration”的學術論文。本工作以自犧牲模板法以及反轉硫化法，設計構築具有內部互連的卵黃殼結構以改善硫化碳奈米管@酚醛樹脂（SC@A）有機硫化物正極材料的動力學效能，並透過原位Raman、原位XRD以及非原位XPS分析相結合的技術揭示短鏈有機硫化物的固相反應過程。
短鏈高分子型有機硫化物，因其結構中的硫鏈長度一般小於等於四個硫原子，加之其結構相對穩定，故能有效的改善鋰硫電池（LSBs）的效能，因而得到廣泛關注和研究。然而，雖然短鏈高分子型有機硫化物能夠使材料展現出固-固電化學反應過程，並可以有效的抑制穿梭效應，但是其電子和離子電導率都相對較低，使材料具有較差的反應動力學特性，致使材料的倍率效能較差。其次，大部分短鏈高分子型有機硫化物都是塊體狀結構，導致較大的介面阻抗，使材料表現出不能令人滿意的迴圈效能。此外，不同於傳統的硫單質，有機硫化物的分子結構及其電化學效能、電化學行為之間的關係尚未被完全探究清楚。因此，有必要繼續探索更合理、更高效能的有機硫化物正極材料。
在本課題組前期工作基礎上（Energy Storage Materials, 2020, 27, 426-434），為了同時抑制長鏈多硫化物的穿梭效應以及提升固-固反應的電化學動力學，先透過自犧牲模板法制備了具有介孔卵黃-殼結構（yolk-shell）的氨基酚醛樹脂包覆碳奈米管（C@A）複合物，然後再透過反轉硫化法制備具有介孔卵黃殼結構的硫化碳奈米管@氨基酚醛樹脂（SC@A）複合物。SC@A複合物在分子尺度上是具有短鏈硫共價連線的有機硫化物，在奈米尺度上是內部具有豐富連線點的卵黃殼管狀結構。SC@A的短鏈硫結構可以將液-固反應轉變為固-固電化學，從而在源頭上避免了穿梭效應的產生；而它這種介孔卵黃殼結構可以有效的承受迴圈過程中的體積變化以及儲存大量的電解液。此外，這種介孔卵黃殼結構以及核與殼之間豐富的連線點結構，可以極大的加快電子離子的傳輸。因此，SC@A複合物具有突出的電化學效能：在5.0 C大電流下容量保有841 mA h g-1；並且在5.0 C以及500次不間斷充放電過程中SC@A複合物表現出每圈0.06%的極低容量損失率。同時，我們利用原位紫外可見光譜證明了SC@A這種短鏈硫結構可以從源頭上避免穿梭效應的產生。此外，利用原位XRD、原位Raman以及非原位XPS相結合的表徵揭示了SC@A複合物在迴圈過程中的充放電機理。這一工作為開發鋰硫電池用的新型短鏈高分子型有機硫化物正極材料提供了新思路。
本文第一作者為博士生常偉，於中振教授和曲晉副教授為本文通訊作者，北京化工大學為第一完成單位。本研究工作得到了國家自然科學基金專案的資助。
來源：北京化工大學
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https://doi.org/10.1002/smll.202101857
