鋰硫電池由于具有相當(dāng)高的理論比容量（1675mAhg-1），被認(rèn)為是下一代有前景的先進(jìn)電池技術(shù)。但其具有硫?qū)щ娦圆詈腕w積膨脹，以及多硫化物溶解和穿梭效應(yīng)的問題，帶來的倍率性能差和性能衰減極大地阻礙了它的應(yīng)用。碳材料，如石墨烯等，與硫復(fù)合后，可以顯著改善硫的導(dǎo)電性，提高硫正極的倍率性能。

但是由于碳材料是非極性材料，與循環(huán)過程中生成的極性多硫化物相互作用較弱，不能有效吸附或抑制多硫化物溶解和穿梭效應(yīng)，造成電化學(xué)性能衰減。為了改善循環(huán)性能，通過引入過渡金屬氧化物或金屬硫化物等吸附劑或動(dòng)力學(xué)加速劑，能有效吸附多硫化物或加快轉(zhuǎn)化，從而抑制多硫化物溶解和穿梭，提高硫正極的倍率性能和循環(huán)性能。

然而上述方法通過合成和制備方法較復(fù)雜，涉及到納米材料的引入；動(dòng)力學(xué)加速效果與加速劑的量和分散尺度密切相關(guān)，引入加速劑也會(huì)部分降低復(fù)合硫正極的比容量；而且由于常規(guī)基于S8正極的電化學(xué)反應(yīng)為伴生型反應(yīng)，產(chǎn)生多種可溶性多硫化物，僅通過動(dòng)力學(xué)加速不能同時(shí)降低所有多硫化物的濃度，很難從根本上避免多硫化物的溶解流失。為了實(shí)現(xiàn)高倍率和長壽命硫正極，需要尋找新的反應(yīng)路徑和新的動(dòng)力學(xué)加速劑。

在973項(xiàng)目(2015CB258400)的資助下，近日華中科技大學(xué)謝佳教授和袁利霞教授課題組報(bào)道了一個(gè)簡單而巧妙的思路，從硫化聚丙烯腈獨(dú)特的結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過簡單的引入少量的硒，構(gòu)建出一種醚類電解液兼容，具有高倍率和長壽命的改性硫化聚丙烯腈硫正極。

從硫化聚丙烯腈的獨(dú)特結(jié)構(gòu)入手，利用硫化聚丙烯腈中含有短鏈硫(-Sn2--,2≤n≤4)的特點(diǎn)，將硫與硒按比例(15:1、12:1、10:1)混合熱處理形成硫硒復(fù)合物，再與聚丙烯腈混合熱處理發(fā)生脫氫反應(yīng)形成硒摻雜的硫化聚丙烯腈。

通過這種設(shè)計(jì)，少量的硒摻雜到硫化聚丙烯腈的短鏈硫(-Sn2--,2≤n≤4)中，從而形成Se-S、S-S、C-S等共價(jià)鍵。這種簡單的少量硒摻雜，不需要任何苛刻的實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備。于硫化聚丙烯腈的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)較慢，在醚類電解液中循環(huán)時(shí)，中間產(chǎn)物與溶劑作用而逐漸發(fā)生多硫化物的溶解和流失，導(dǎo)致性能快速衰減。而在酯類電解液中循環(huán)時(shí)，由于形成SEI膜能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán)。相比傳統(tǒng)的硫化聚丙烯腈，硒摻雜的硫化聚丙烯腈(SexSPAN,x<0.15,~50wt%SexS)，少量的硒大大降低了循環(huán)中的過電位，加快了鋰離子的擴(kuò)散，極大地提高了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了短鏈可溶多硫化物(Li2Sn,n≤4)向不溶Li2S2/Li2S的快速轉(zhuǎn)變，基本消除了多硫化物的溶解和穿梭。

因此，硒摻雜硫化聚丙烯腈正極，在醚類和酯類電解液中都表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。硒作為一種共熔加速劑，有別于其他氧化物或者硫化物等催化劑、加速劑，不僅在活性材料中較易實(shí)現(xiàn)分子級(jí)別的分散，加快活性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，而且同時(shí)能夠提供容量，在加快反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的過程中沒有降低活性物質(zhì)的含量。該研究成果以“Ether-compatiblesulfurizedpolyacrylonitrilecathodewithexcellentperformanceenabledbyfastkineticsviaseleniumdoping”為題發(fā)表在國際著名期刊Nat.Commun.(2019,10,1021)上，華中科技大學(xué)博士生陳新為該論文的第一作者。

【小結(jié)】

綜上所述，這項(xiàng)工作為大家提供了一個(gè)簡單而巧妙的構(gòu)建高性能硫正極的思路。通過簡單的硒摻雜有效抑制了多硫化物中間產(chǎn)物在醚類電解液中的溶解和穿梭效應(yīng)。這種從可溶短鏈中間產(chǎn)物(Li2Sn,n≤4)和不溶產(chǎn)物L(fēng)i2S2/Li2S之間快速轉(zhuǎn)變的策略，可以推廣到其它硫正極的設(shè)計(jì)中，并應(yīng)用于其它金屬硫電池體系。