第一作者：Zhi Chang
通訊作者：周豪慎
通訊單位：日本產業技術綜合研究所、筑波大學（日本）、南京大學
現今鋰離子電池的性能已逐漸進入瓶頸，越來越難以滿足社會發展的需要，因此，開發各類新型電能儲存裝置以取代鋰離子電池已經成為解決能源問題的重要一環。其中，鋰硫電池以其高理論容量（1675 mAh/g, 以終產物Li2S計）以及電極材料的廉價等突出特點獲得了研究者的關注，并成為頗具競爭力的下一代電池的候選者。但是，鋰硫電池體系依然問題重重，亟待解決。
撇開鋰金屬負極和電解液的問題不談，硫正極本身的絕緣性、在充放電過程中的體積膨脹和多硫化鋰的流失嚴重限制了其容量和循環穩定性的提升。為了解決這一問題，各式各樣的多孔材料被用于硫的分散負載，尤其是導電性能優異的多孔碳材料。
有鑒于此，周豪慎教授課題組從另一角度出發，向鋰硫電池中引入具有自修復性能的聚合物，通過與還原石墨烯（rGO）復合，同時解決了電極導電性、充放電過程中電極材料破裂和多硫化鋰流失這三個方面的問題。
圖1傳統硫碳電極與功能化硫碳電極的對比示意圖（a），以及兩者的截面、放電前表面和10次循環后表面的SEM圖片（傳統：b、d、f；功能化：c、e、g）
作者使用具有自愈合（self-healing）性質的低交聯度的有機硅聚合物（silly putty，SP）作為復合電極的主體材料，來防止充放電過程中由體積變化造成的活性材料脫落，電極結構破裂等問題。而實驗結果也顯示功能化的硫碳電極在充放電前后電極表面均不出現明顯裂紋和孔，證明了這一設計的可行性（圖1）。
但是，SP的導電性較差，單純用SP與硫碳電極復合后會影響其電化學性能。而加入10 %質量比的rGO后，rGO-putty復合電極的極化程度明顯小于SP復合電極（圖2 a, b）。恒電流間歇滴定測試表明rGO-putty功能化的硫碳電極具有較高硫利用率（圖2 c）。同時，多硫化鋰的滲透實驗也證明了這種復合電極有利于抑制多硫化鋰的穿梭（圖2 d）。這可能是因為復合物中存在大量的硅氧基團，它們可能與多硫化鋰具有一定作用，從而阻止其穿梭。
圖2 (a、b)三種電極的循環伏安曲線、充放電曲線；(c)rGO-putty復合硫碳電極的恒電流間歇滴定曲線；(d)多硫化鋰的滲透實驗。
通過對比SP和rGO-putty功能化硫碳電極的充放電循環曲線和倍率性能，我們可以發現rGO-putty功能化硫碳電極具有更高更穩定的容量（0.5 C下500周后仍有796 mAh/g，1 C下1000周后仍有596 mAh/g，每周容量衰減0.035 %）以及更加優異的倍率性能（圖3）。
圖3循環曲線、容量-電壓曲線以及倍率性能（a、b：SP功能化硫碳電極；c-f：rGO-putty功能化硫碳電極）
可能是由于篇幅限制，本文正文中的數據圖不是很多，支撐材料中還有一些有趣的實驗和數據來支持作者觀點。
總之，本文引入具有特殊性質的高分子材料，繞開硫載體的制備而從制造保護層的角度解決硫正極存在的問題，這可能會是一個不錯的研究方向。
愿大家在緊張的科研生活中吃好睡好，祝各位身體健康。
參考文獻：
ChangZ, He Y, Deng H, et al. A Multifunctional Silly‐Putty Nanocomposite Spontaneously Repairs Cathode Composite for Advanced Li?SBatteries[J]. Advanced Functional Materials, 2018.
DOI:10.1002/adfm.201804777
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201804777
