富硫有机正极材料问世 为锂硫电池供应高容量

据外媒报道，北京特种航天大学的研究人员，开发一种线性分子富硫有机材料，可作为锂硫电池的硫正极。四甲基二硫代秋兰姆-硫(TMTD-S)正极材料，在0.2C(1C＝1061mAh/g)下，供应685mAh/g的初始容量，并能在200次循环后，保持540mAh/g的容量。

此外，使用科琴黑导电剂和碳布电流收集器，提高TMTD-S正极材料的导电率，该材料能供应高达1054 mAh/g的初始容量。即使在0.5C的高电流密度和1.8mg/cm²的高质量负载下，循环100次后，仍能保持930 mAh/g。

近十年来，锂硫电池因具有高理论能量密度(2600wh/kg)，在世界范围内获得广泛研究，被认为是下一代储能系统。然而，因可逆容量小、库仑效率低、循环寿命短等明显缺点，在实际应用时，硫正极存在局限性。众所周知，这是硫正极的固有缺陷所导致的，通常称为多硫化物穿梭效应。因此，人们在防止多硫化物穿梭方面做出大量努力，如在分离器中添加中间层，以便在正极侧容纳多硫化物；在正极中引入高极性材料，吸收附近的多硫化物；设计纳米结构复合材料正极，物理限制多硫化物；加入多功能电解质，利用正极电催化剂，加速多硫化物沉积。

这些方法虽能缓解多硫化物穿梭效应，但效应的源头仍然存在，即多硫化物的溶解，不可防止地会造成容量损失。防止多硫化物穿梭的基本方法，是控制多硫化物的溶解，防止使用八元环单质硫为活性物质。因此，开发非单质硫正极，或将推动锂硫电池实际应用。

从硫正极的储能机理中，可以看到，锂化和去锂化过程的本质，在于S-S键的解离和形成。这种键不仅存在于单质硫中，也存在于其他含硫化合物中。因此，含S-S键的化合物，可能成为潜在的正极候选材料，如金属多硫化物（TiS4、MoS3等）、有机硫复合材料和有机多硫化物(二硫/三硫/四硫)。

研究人员通过简单的加成反应，在四甲基二硫代秋兰姆（TMTD）中加入硫，合成一种富硫有机线性分子四甲基二硫代秋兰姆-硫(TMTD-S)。TMTD-S具有RSnR(R=C2H6N(S))的线性分子结构，活性硫含量高达60%wt%。这种TMTD-S正极材料，含硫量高，循环性能稳定，具有较高的可逆容量。