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导语
锂硫电池以其优异的理论比能量（2567 Wh·kg -1 ）和容量（1675 mAh·g -1 ）成为最有前途的储能系统。尽管如此，Li-S电池仍然存在一些缺点，例如众所周知的多硫化锂（LiPSs）穿梭以及体积膨胀破坏电极结构完整性等问题，导致电池的电化学性能不理想。近日，华南师范大学兰亚乾教授、陈宜法教授课题组通过一系列基于金属卟啉基有机聚合物粘结剂（M-COP，M = Mn，Ni和Zn）探索了正极原位编织加工策略。相关成果发表在Advanced Materials上（DOI: 10.1002/adma.202208846）。
前沿科研成果
催化活性的金属卟啉基有机聚合物粘结剂原位编织高硫载量的锂硫电池正极
（1）大多数报道的聚合物粘结剂集中在LiPSs吸附的性能上，其他重要的功能例如LiPSs催化转化或Li + 跳跃/传输很少被探索；（2）大部分工作通过非原位制造工艺将合成的聚合物用作粘结剂，其与正极材料（即碳纳米管(CNT)和S）的相互作用较弱；（3）已报道的基于聚合物粘结剂的电池性能极少能够部分满足“4H”或“4L”的高标准。针对这些挑战开发新型聚合物粘结剂和原位正极加工技术对于高性能锂硫电池的开发具有重要的价值和意义。
图1.基于金属卟啉基有机聚合物粘结剂（M-COP，M = Mn、Ni和Zn）的电池相对于基于PVDF的电池的优势以及正极原位编织策略示意图（来源：Advanced Materials）
图2. M-COP（M = Mn、Ni和Zn）的结构和表征（来源：Advanced Materials）
作者通过硫脲缩合反应制备了一系列基于金属卟啉基的有机聚合物M-COP（M = Mn、Ni和Zn）。这类聚合物显示出较高的机械性能、出色的拉伸应力和模量。优异的机械强度会使得这类功能粘结剂将正极材料连接得更为紧密，这非常有利于抵抗正极材料的体积膨胀（图2）。
图3. 不同粘结剂的特性（来源：Advanced Materials）
在锂硫电池正极中，粘结剂和固体颗粒的稳定是非常重要的。强剪切强度可以有效地提供强结合能力，从而能够制造坚固的正极，并且将非常有利于正极更好地承受电化学充电和放电过程中的体积膨胀。合适溶胀速率将有利于同时保持电解液的良好润湿性和避免电解液的过量吸收。此外，通过纳米压痕测量实验表征了它们良好的机械强度和优异的粘附性（图3）。
图4. 含有不同粘结剂锂硫电池的电化学性能（来源：Advanced Materials）
作者进一步对这类金属卟啉基聚合物粘结剂应用于锂硫电池时的性能进行研究。基于Mn-COP/CNT/S的电池在1 C下提供1027 mAh g -1 的初始比容量，在2 C下提供913 mAh g -1 的初始比容量及在4 C下超过1000次循环的优异循环稳定性（0.064%每次循环衰减）。此外，该电池在8.1 µL mg -1 的低E/S比下表现出1029.9 mAh g -1 的高比容量，并且即使在E/S比降低至5.8 µL mg -1 ，基于Mn-COP/CNT/S的电池还能够实现8.6 mg cm -2 的高硫负载，其中在0.1 C下获得的初始面积容量和比容量可以分别高达7.8 mA h cm -2 和909.8 mA h g -1 （图4）。
综上，作者制备得到了一系列具有高机械性能的有机聚合物（M-COP，M = Mn，Ni和Zn），基于这类粘结剂的锂硫电池展现出优异的电化学性能，并具有满足“4H”和“4L”标准的巨大潜力。
这一成果近日发表于Adv. Mater.上，硕士生姚晓曼、博士生郭璨为本工作共同一作，华南师范大学兰亚乾教授和陈宜法教授为通讯作者，研究工作得到了国家自然科学基金的支持。
作者介绍
兰亚乾教授课题组自2012年底成立以来，主要以团簇化学和配位化学为研究导向，设计合成结构新颖且稳定的晶态材料用于光、电、化学能等相关清洁能源领域的转化与应用。研究内容涉及多酸（POMs）、金属有机团簇（MOCs）、金属有机框架（MOFs）及共价有机骨架材料（COFs）的合成与应用。目前，课题组已在光电催化领域包括水裂解反应、CO2还原、氧还原反应（ORR）及质子导电和固态电解质材料方面等取得一系列重要进展。相关研究在PANS、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Matter、Chem、Chem. Soc. Rev.等国际知名期刊上发表论文200余篇。团队目前有导师6名，博士后15名，博士14名，硕士32名。课题组网站：http://www.yqlangroup.com。
陈宜法教授：华南师范大学青年拔尖人才。2018年获得北京理工大学无机化学博士学位（导师：王博教授）；获得过北京市优秀毕业生、中国颗粒学会优秀博士生论文奖等；长期致力于金属/共价有机框架合成设计及其加工成型材料在催化、储能和环境领域的应用探索，部分研究成果已经实现了产业化应用；在国内外高水平学术期刊上发表SCI论文50余篇，其中近3年作为通讯或第一作者身份发表论文30余篇，包括Chem (1)、Angew. Chem. Int. Ed. (7)、Adv. Mater. (2)、Coord. Chem. Rev、JACS Au.、Adv. Sci、CCS Chem.、Nano. Energy、Energy Stor. Mater、Sci. Bull等。已申请国家发明专利9项，授权4项；主持国家自然科学基金面上、青年基金项目和广东省杰出青年基金项目等；担任CCL青年编委， J. Am. Chem. Soc.、Inorg. Chem.、CEJ.、JCIS.、JMCA等期刊审稿人。
关于人物与科研
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