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陸俊等AM:自組裝大環銅配合物均相催化高負載鋰硫電池

陸俊等AM:自組裝大環銅配合物均相催化高負載鋰硫電池
高能量密度鋰硫(Li-S)電池的實際可行性規定了高負載正極和低電解質的使用。然而,在這種苛刻的條件下,由于硫和多硫化物利用率差,液固硫氧化還原反應受到很大的阻礙,導致反應容量低、衰減快。
陸俊等AM:自組裝大環銅配合物均相催化高負載鋰硫電池
在此,浙江大學陸俊教授、澳大利亞格里菲斯大學Yang Ying等人設計了一種自組裝的大環Cu(II)配合物(CuL)作為一種有效的催化劑,可使液體參與的反應均質化和最大化。
四個N原子配位的Cu(II)離子具有平面dsp2雜化的特點,通過立體效應對沿d22軌道的多硫化鋰(LiPSs)表現出很強的結合親和力。
這樣的結構不僅降低了液-固轉化(Li2S4到Li2S2)的能量屏障,而且還引導了Li2S2/Li2S的三維沉積。
陸俊等AM:自組裝大環銅配合物均相催化高負載鋰硫電池
圖1. CuL配合物的合成與表征
總的來說,本工作利用自組裝大環CuL配合物作為電解質添加劑,在鋰-硫電池中建立了一種均相催化策略,以加速液固轉換動力學并抑制穿梭效應。CuL添加劑與Li2S的分子間接觸使可溶的Li2S均質化,形成了三維Li2S沉積過程,具有更高的沉積容量,可在高負荷、低E/S比條件下有效提高硫的利用率。
研究結果表明,使用1% wt% CuL電解質添加劑,電池可提供985 mAh/g的高放電容量,在0.2 C下循環200次后仍保持766 mAh /g,每個循環的衰減率為0.1%。
在高硫負荷(10.4 mg/cm2)和低電解質/硫(6 μL/mg)的條件下,CuL具有穩定的循環性能,初始容量為925 mAh/g,面積容量為9.62 mAh/cm2,循環70次,每循環衰減率為0.3%,表明CuL具有優異的均相催化能力。
本工作展示了一種簡單的均相催化劑設計并給出了詳細的機理,有望解決鋰-硫電池實際應用的瓶頸。
陸俊等AM:自組裝大環銅配合物均相催化高負載鋰硫電池
圖2. 含CuL和不含CuL配合物鋰-硫電池的電化學性能
Self-Assembled Macrocyclic Copper Complex Enables Homogeneous Catalysis for High-Loading Lithium-Sulfur Batteries, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202300861

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