大连理工大学胡方圆团队AM：聚合物刷分子工程实现锂硫电池超宽温域稳定运行

锂硫电池因超高理论能量密度（2600 Wh kg⁻¹）被视为下一代储能器件，但其实际应用受制于极端温度下的性能塌缩：高温（>60℃）加速多硫化锂（LiPSs）溶解与穿梭，导致活性物质不可逆损失；低温（<-20℃）则因转化能垒剧增引发LiPSs累积，同时锂离子扩散迟滞诱发枝晶生长。传统隔膜（如聚丙烯PP）无法同步解决上述矛盾，亟需兼具离子调控与催化转化的创新材料。

面对锂硫电池在极端温度下的性能衰退难题，大连理工大学胡方圆团队通过分子工程设计出蒽醌功能化聚合物刷隔膜（G-pGMAAQ），成功实现-40至70℃超宽温域稳定运行。该材料以氧化石墨烯为基底，经重氮加成、SI-ATRP接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯，再通过2-氨基蒽醌开环反应制得（图1b）。XPS与FT-IR证实溴特征峰消失及环氧基团转化，TEM显示聚合物均匀包覆，力学测试揭示其15.79 MPa拉伸强度。

图1. PP与G-pGMAAQ调控机制对比（a）；聚合物刷合成路径（b）

理论计算揭示三重协同机制（图2）：蒽醌基团增强电负性促进锂离子迁移；对Li₂S₈至Li₂S的吸附能（-6.04～-4.32 eV）显著高于石墨烯；吉布斯自由能分析表明液-固转化能垒降低28%（0.41 eV vs 0.57 eV）；Li₂S氧化解离能垒仅1.69 eV（石墨烯为2.67 eV）。

图2. 静电势分布（a）、吸附构型（b）、吉布斯自由能（c）、Li₂S解离能垒（d-e）

实验验证关键性能突破：原位拉曼光谱显示G-pGMAAQ有效抑制多硫化物穿梭（图3b-c）；对称电池CV出现明显氧化还原峰（图3h）；Li₂S成核实验证实峰值响应时间缩短51%（654 s vs 1345 s），成核容量提升64%（图3i）。锂沉积调控方面：Li||Cu电池成核过电位降至40 mV（图4c），160周循环后库伦效率保持99.12%（图4b），AFM显示锂金属表面粗糙度降低67%（26.9 nm vs 82.0 nm）（图4g-h）。

图3. 原位拉曼测试（a）、PP（b）与G-pGMAAQ（c）放电过程拉曼谱、CV图谱（d-f）、Tafel斜率（g）、对称电池CV（h）、Li₂S沉积（i）

图4. Li||Li循环（a）、Li||Cu库伦效率（b）、成核过电位（c）、电压曲线（d）、Arbach法CE（e）、Li 1s谱（f）、锂金属形貌（g-h）

宽温域电化学性能卓越：室温下5C倍率容量达760 mAh g⁻¹（图5a），7.18 mg cm⁻²高载量实现7.19 mAh cm⁻²面容量。极端温度测试中，70℃初始容量1385.8 mAh g⁻¹（图6a），60℃循环600周（3000小时）容量保持50%（图6b）；-40℃仍维持336.5 mAh g⁻¹容量（图6c），-10℃循环1000周衰减率仅0.053%/周（图6d）。1.8 Ah软包电池能量密度达417 Wh kg⁻¹，0℃放电容量1156.13 mAh g⁻¹（图6g-h）。

图5. 倍率性能（a）、极化电压（b）、G-pGMAAQ（c）与PP（d）充放电曲线、循环性能（e）、软包电池示意图（f）、充放电曲线（g）、性能对比（h）

图6. 高温充放电曲线（a）、60℃循环（b）、低温充放电曲线（c）、-10℃循环（d）、温域对比（e）、循环性能对比（f）、软包电池高温（g）与低温（h）性能

低温失效机制解析：原位EIS揭示G-pGMAAQ显著降低界面电阻（图7a-c）；Q₁/Qₙ比值分析表明其缓解液-固转化不足（图7d）；沉积模式分析显示在0℃保持3D复合沉积（图7e-f），而PP转变为2D瞬时沉积；TOF-SIMS深度剖析证实G-pGMAAQ促进Li₂S₂/Li₂S生成（图7g-i），从根源上解决低温容量衰减。

图7. PP（a）与G-pGMAAQ（b）原位EIS、电阻对比（c）、Q₁/Qₙ比值（d）、60℃（e）与0℃（f）沉积模式、TOF-SIMS三维分布（g）及深度剖析（h-i）

该工作通过蒽醌催化、刷状结构限域及离子流调控三重功能协同，为宽温域锂硫电池提供新范式。未来可拓展聚合物刷拓扑设计至其他金属-硫电池体系，推动极端环境储能器件发展。

来源：高分子科学前沿

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