Small观点：自支撑碳纳米管膜表面生长的电催化型共轭微孔聚合物 — 用于提高锂硫电池的倍率性能

第一作者：贾云灿

通讯作者：郑黎荣*，王中丽*，耿建新*

单位：北京化工大学

锂硫（LiS）电池的理论能量密度高（2600 Wh kg ^-1 ），且硫具有价格低廉、储量丰富和环境友好等突出优势，因此LiS电池成为了新一代储能技术中的研究热点。然而，正极中多硫化物的穿梭效应和缓慢的反应动力学阻碍了LiS电池的发展。引入夹层是解决穿梭效应的一种简单而有效的策略。单一碳材料所制备的夹层只能通过多孔结构实现物理拦截多硫化物穿梭，而选择功能聚合物改性的碳材料作夹层材料时，则可以达到物理阻隔和化学吸附的双重效果。因此，由功能聚合物改性的碳材料所制备的夹层受到了广泛关注。然而，碳材料/聚合物的复合材料通常是采用简单的物理混合制备的，这会导致两者之间的界面相互作用不稳定，从而影响了电池的稳定性。此外，在复合材料的设计中，往往缺少应对硫正极反应动力学缓慢的措施。因此，夹层的制备需要从分子组成、功能性以及薄膜的微观结构等多个角度进行设计。

近日， 北京化工大学博士研究生贾云灿同学 ，在国际知名期刊 Small 上发表题为 “Growing Electrocatalytic Conjugated Microporous Polymers on Self-Standing Carbon Nanotube Films Promotes the Rate Capability of Li−S Batteries” 的研究论文。该论文是在天津工业大学的耿建新教授、王中丽副教授的指导下完成的，中国科学院高能物理研究所的郑黎荣副研究员对X-射线吸收光谱实验的实施与数据分析给予了大力支持和帮助。该论文作者设计并制备了一种电催化型自支撑薄膜材料（V-CMP@MWNT），该薄膜由导电多壁碳纳米管 (MWNTs) 膜和含有钒单原子催化剂（V SACs）的共轭微孔聚合物 (CMP) 组成。V-CMP@MWNT薄膜被用作LiS电池夹层时，提供了多重作用：以物理阻隔和化学吸附相结合的方式来抑制多硫化物穿梭；V SACs通过高效的催化作用来提升硫正极反应动力学。电化学性能测试表明，含有V-CMP@MWNT夹层的LiS电池在倍率和循环稳定性方面均表现出优异的性能，例如，在10 C下的比容量仍然有804 mA h g ^-1 。在0.5 C下循环1000圈后的比容量为616 mA h g ^-1 ，平均每圈容量衰减率为0.042%；在2 C下循环1000圈后的比容量为561 mA h g ^-1 ，平均每圈容量衰减率为0.044%；在高硫负载量时（12.2 mg cm ^-2 ），1 mA cm ^-2 电流密度下初始面积比容量达到13.2 mA h cm ^-2 。

如图1a所示，通过电聚合法在自支撑MWNTs薄膜表面原位合成了具有螯合位点的CMPs，进一步通过溶液浸泡实现了V SACs的负载，得到了自支撑的功能性复合薄膜（V-CMP@MWNT）。该策略操作简单、可控，具有模块化和可扩展性。在电聚合中，通过改变电聚合参数，可以调控CMPs 的组成和微观结构，实现了该薄膜的可控制备。V-CMP@MWNT薄膜展示了良好的柔韧性（图1b）。CMP生长在MWNTs的表面， CMP@MWNT薄膜依然呈现了多孔的微观结构（图1c）。HAADF-STEM数据证明了V SACs均匀负载于CMP的结构中（图1d）。

含有V-CMP@MWNT夹层的LiS电池在10 C高倍率下比容量仍然有804 mA h g ^-1 ，和文献中含有其他类型夹层或改性隔膜的电池相比，本文测得的倍率性能处于最高水平。

利用透明H型电池，直接观察到V-CMP@MWNT薄膜有效地抑制了多硫化物的渗透。同时，含有V-CMP@MWNT夹层的电池具有最小的穿梭电流，支持了V-CMP@MWNT薄膜对抑制了多硫化物穿梭效应的贡献。

Growing Electrocatalytic Conjugated Microporous Polymers on Self-Standing Carbon Nanotube Films Promotes the Rate Capability of Li−S Batteries

耿建新 教授简介：博士，国家高层次人才特殊支持计划领军人才入选者，天津工业大学教授、博士生导师，目前任材料科学与工程学院院长。2004年，毕业于中国科学院长春应用化学研究所，高分子化学与物理专业。主要从事聚合物材料、碳材料和纳米能源材料等领域的研究，在碳纳米材料表面修饰、碳纳米材料/聚合物复合材料设计与合成、电化学储能技术等方面取得了多项创新研究成果。获得中科院“百人计划”项目资助并在终期评估中被评为优秀；入选国家高层次人才特殊支持计划领军人才、科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才、江苏省“双创计划”等人才计划。在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano等具有重要影响力的期刊上发表学术论文100余篇。以第一发明人申请中国发明专利14项（9项获得授权）、PCT专利1项。撰写学术专著1章。

王中丽 副教授简介：博士，副教授、硕士生导师。2022年博士毕业于天津大学，同年7月入职天津工业大学材料科学与工程学院，。主要从事有机/高分子功能材料、电化学储能技术等领域的研究工作。在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater. 、Adv. Sci.等具有重要影响力的期刊上发表研究论文十余篇。个人主页https://clxy.tiangong.edu.cn/2023/0719/c3775a86901/page.htm

郑黎荣 副研究员简介：博士，现任职于中国科学院高能物理研究所多学科中心XAFS实验站，硕士生导师。2009年毕业于中国科学院高能物理研究所，凝聚态物理专业。2009年起任职于北京同步辐射装置XAFS实验站，2018年8月起担任北京高能光源X射线吸收谱学线站的系统负责人。主要从事同步辐射X射线吸收谱学实验技术、高压XAFS实验方法和同步辐射光束线模拟等的研究。

贾云灿 ，博士，2023年毕业于北京化工大学，材料科学与工程专业。主要从事共轭微孔聚合物在锂硫电池中的应用研究。发表SCI论文8篇，以第一/共一作者在Small和Chem. Eng. J.期刊发表研究论文3篇。

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