长寿命柔性锂硫电池的构建及电化学稳定机制

With the rapid development of wearable technology and flexible electronic devices, people's requirements for flexible energy-storage devices with high energy density are increasing steadily. Flexible lithium-sulfur batteries are expected to be the most potential energy-storage devices due to their high theoretical energy density and low cost. In view of the problems of short cycle life and poor safety of lithium-sulfur batteries, we will start with following two aspects, including the surface modification of the flexible cathode and the rational design of solid polymer electrolytes: (1) The "elastic conductive coating" will be coated on the surface of nanocarbon-supported sulfur flexible cathode, which will restrain the loss of active material and suppress the destruction of the electrode structure caused from the volume deformation. (2) Solid polymer electrolytes with abundant ester groups will be prepared by copolymerization of unsaturated carbonate monomer with acrylic ester, which will effectively inhibit polysulfide shuttle. Furthermore, suitable ionic liquid will be used to enhance ionic conductivity and interfacial ion transport. The influence of the microstructure of the elastic conductive coating on the performance of the battery will be discussed. The structure-activity relationship among the composition, microstructure, ion transport and interfacial properties for the quasi-solid electrolyte will be investigated. The stabilization mechanism of elastic coating and quasi-solid electrolyte with rich ester groups on the performance of lithium sulfur batteries will be revealed. The research will provide useful solutions to the development of flexible lithium sulfur batteries with long life and high security.

随着可穿戴技术和柔性电子设备的快速发展，人们对高能量密度柔性储能器件的需求不断加大，柔性锂硫电池具有理论能量密度高和成本低等优势，是未来最具潜力的柔性储能器件。针对锂硫电池面临的循环寿命短和安全性差等瓶颈问题，本申请拟从柔性正极的表面修饰和固态聚合物电解质的优化设计两方面入手：（1）在纳米碳负载单质硫柔性正极表面构筑“弹性导电包覆层”，约束硫和多硫化物流失，抑制体积形变对电极结构的破坏；（2）将不饱和碳酸酯单体与丙烯酸酯共聚，制得丰富酯基团的固态聚合物电解质，以有效抑制多硫化物穿梭，并引入合适离子液体以强化离子电导率和界面离子传输；研究弹性导电包覆层的微观结构调控对电池性能的影响规律，建立准固态电解质的组成、微观结构与离子传输和界面性能之间的构效关系，揭示弹性包覆层和富酯基团准固态电解质对锂硫电池性能的稳定机制，为开发长寿命高安全性的柔性锂硫电池提供可借鉴的解决方案。

可穿戴技术和柔性电子设备的快速发展，对高能量密度柔性储能器件的需求增大。柔性锂硫电池具有理论能量密度高和成本低等优势，但面临循环寿命短和安全性差等瓶颈问题。本项目创建了采用“弹性导电包覆层”对纳米碳负载硫柔性正极进行表面修饰的新策略，设计合成了含丰富酯基团准固态聚合物电解质，以实现对多硫化物穿梭的有效抑制和柔性锂硫电池电化学性能的全面提升，主要成果包括：.1. 设计制备了弹性导电聚合物水性涂料，由聚氧化乙烯多元醇为软段的水性聚氨酯、水性导电高分子改性碳纳米管和水性脂肪族多异氰酸酯交联剂复合而成，经浸渍处理原位包覆在纳米碳负载硫柔性正极表面构筑“弹性导电包覆层”。该包覆层显示出高的电子传导性和优异的回弹性，且具有包覆层锂硫电池呈现出优异循环性能和出色倍率性能。通过研究充放电过程中柔性正极显微结构的变化，揭示了弹性导电包覆层对锂硫电池电化学性能的强化机制。该策略显示出可规模化的应用前景，并有望在高性能硅负极上获得应用。.2. 设计合成了一系列具有强捕捉多硫化锂能力、动态-可逆吸附和双锂离子迁移通道等功能的含丰富酯基团准固态聚合物电解质，研究了准固态电解质的化学组成、结构与力学性能和离子传输的构效关系，阐明了离子液体对锂离子传输的强化机制，重点研究了准固态聚合物电解质与界面离子传输性质、抑制多硫化物穿梭情况以及抑制锂枝晶的生长情况，揭示了该类准固态电解质对锂硫电池电化学性能的稳定机制。.3. 面向纳米碳负载硫柔性正极和丰富酯基团准固态聚合物电解质所构建准固态柔性锂硫电池，考察了在动态弯曲条件下的结构稳定性和电化学性能的衰减情况，研究了充放电过程中柔性正极的显微结构以及电解质/电极界面性能的变化，探究了其电化学性能的稳定机制。为构建长寿命高安全柔性锂硫电池提供理论指导。.4. 创制出室温离子电导率达2.6×10-4 S/cm的固态聚合物电解质和多功能水性粘结剂。为构建长寿命高安全锂硫电池提供新思路。.项目执行期间发表基金标注论文21篇，其中中科院一区10篇，二区9篇，申请发明专利8项，其中授权4项；作会议邀请报告2次，口头报告2次，获江苏省科学技术三等奖1项。