暨大「国家杰青」李丹团队，JACS！

顶刊收割机 · 公众号 · · 2025-01-21 08:18

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钠硫（Na–S）和钾硫（K–S）电池因其较高的能量密度，并且使用比锂（Li）、钴（Co）和镍（Ni）等稀有资源更为丰富且经济的金属材料，激发了广泛的研究兴趣。然而，硫正极面临可溶性多硫化物穿梭效应、较大的体积形变以及较慢的氧化还原动力学等问题。

在此， 暨南大学李丹、宾德善等人 报道了一种高性能Na–S和K–S电池正极的工艺方法，通过简单的热解过程，使用微生物生物质（酵母）和工业硫环（cyclo-S8）粉末作为前驱体简易制备了导电有机硫聚合物（COSP）微笼结构。COSP微笼中含有46.3 wt%的硫物种，这些硫以短链硫的形式存在，并与导电聚合物基体共价结合。

研究显示，这些共价结合的短链硫不仅通过优异的氧化还原反应性实现了高容量，还有效防止了可溶性多硫化物的形成，确保了稳定的电化学过程。微笼内建的空腔能够缓解体积变形，抵抗电极的退化。所得的COSP正极在Na–S和K–S电池中均表现出了卓越的容量、循环稳定性和倍率性能。特别是作为K–S电池正极时，它在0.03 A g ^–1 条件下实现了1206.5 mAh g ^–1 的高初始可逆容量，并且在0.9 A g ^–1 条件下运行超过1100次循环后仍保持超过99%的容量保持率，且库仑效率接近100%。

图1.制备流程

总之，该工作证明导电有机硫聚合物微笼可以作为Na–S和K–S电池的稳定高容量正极。该微笼可以通过使用微生物原料和元素硫作为前驱体简易制备。短链硫物种与导电聚合物基体的结合不仅促进了转换反应，还有效防止了可溶性多硫化物的形成。独特的中空微笼结构具有内腔空间，有助于缓冲电极的体积变化。所得的COSP正极在Na–S和K–S电池中展现了优异的容量、可观的倍率性能和卓越的稳定性。

特别值得注意的是，K–S电池以其开发难度较大而著称，而该研究采用COSP组装了K–S电池作为概念验证；采用COSP正极的K–S电池实现了1206.5 mAh g ^–1 的高可逆容量，并且在超过1100次循环中，每次循环的容量损失小于0.001%，展现出卓越的循环稳定性。因此，该工作为金属-硫电池中高性能硫正极的设计提供了一种新思路。

图2. 电池性能

Stable Na/K–S Batteries with Conductive Organosulfur Polymer Microcages as Cathodes， Journal of the American Chemical Society 2024 DOI: 10.1021/jacs.4c11845

李丹，博士，暨南大学化学与材料学院院长、教授，博士生导师，国务院“政府特殊津贴专家”，入选国家万人计划“百千万人才工程”领军人才，广东省丁颖科技奖；曾获广东省科学技术一等奖（第一完成人），广东省“劳动模范”，广东省高等学校教学名师，汕头大学李嘉诚基金会卓越教学奖。致力于超分子配合物及其聚集体的合成组装、结构形貌和发光、吸附及手性功能等方面的研究工作，先后主持国家自然科学基金重大研究计划、重点项目、面上项目和国家973计划（课题组长）等，在国际权威学术刊物如 J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Chem. Rev. 等发表学术论文200多篇。