近日，上海科技大学物质科学与技术学院谢琎课题组与姜珊课题组合作开发了一种基于多孔有机分子笼CC3、用于锂硫电池的离子筛。该材料可用作商业隔膜上的超薄（300 nm）涂层，在选择性筛分锂离子的同时阻挡多硫化物，相应复合隔膜可使电池在500次循环后仍有每循环约0.04%的低容量衰减率。该成果发表于学术期刊Nano Letters。
凭借硫正极的高理论比容量（1673 mAh/g），锂硫（Li-S）电池被认为是下一代储能系统的重要候选。然而，阻碍锂硫电池商业化的主要挑战之一是电池充放电过程中多硫化物在有机电解质中的溶解和迁移引起的“穿梭效应”，这会导致活性硫的损失，最终导致电池的循环寿命变差。在锂电池隔膜涂层材料领域，科研人员对多孔碳、聚合物、无机物、MOFs和COFs等材料已有研究，这些材料可以通过物理约束或化学相互作用限制多硫化物的迁移。
图1：锂硫电池中CC3/PP复合隔膜的示意图。CC3/PP 隔膜对可溶性多硫化物起到离子筛分的作用与上述材料相比，多孔有机分子笼（POC）材料具备独特的优势：它具有永久性孔隙率，可以给分子笼提供稳定的孔道结构，并用于离子或分子的传输；它还具备溶液可加工性，即POC材料可以挥发溶剂的形式被浇铸成薄膜，从而消除了膜材料对粘合剂的需求，并减少了功能材料之间的间隙。此外，POC材料还可用于制备超薄膜以减少电池系统中电解液的用量，保证锂硫电池的高能量密度。
图2：分子的反应过程。(b)CC3笼状分子表现为四面体对称的3D结构，窗口直径为 5.8 Å。(c) CC3分子笼内空腔的有效直径为 8.0 Å。
本研究中，研究人员通过旋转涂覆的方式，将溶解有CC3的溶液涂覆在了商业隔膜之上,得到了一层无定型的功能层，其厚度仅为300nm,并且保留了多孔特性。而H-Cell装置可以对两种隔膜的阻硫能力进行测试。通过多硫化物的扩散实验，研究人员发现PP隔膜较大的孔道尺寸无法阻碍多硫化物的渗透，而附着有CC3分子功能层的CC3/PP隔膜，在8个小时的时间内丝毫没有通过多硫化物，这证明了复合隔膜能够有效抑制“穿梭效应”。另一方面，分子动力学模拟表明溶剂可以在CC3涂层间自由移动，说明CC3作为功能层进行离子传导的可行性。同时，对Li+、S42-和S62-三种离子的动力学模拟表明，Li+可以顺利通过CC3功能层，然而S42-和S62-由于离子尺寸过大，在扩散过程中会被限制在CC3笼状结构的节点之间，难以完成整个扩散过程，有效解释了多硫化物的迁移抑制作用机理。
图3.使用 H-Cell装置的CC3/PP隔膜和PP隔膜的多硫化物渗透实验。(a)多硫化物通过 CC3/PP 隔膜的渗透实验，持续 8 小时。(b)多硫化物通过 PP 隔板的渗透实验，持续 4 小时。(c)通过无定型 CC3 功能层模型比较 Li+、S42-和S62-物质的扩散距离。(d) Li+、(e)S42-和 (f)S62-在CC3笼形结构中的扩散轨迹。
图4. 通过多硫渗透试验以及分子动力学模拟，研究团队发现CC3 中互联的孔道尺寸小于多硫化锂，这可以有效的阻止多硫离子的迁移。
该成果论文题为““An Ultrathin Functional Layer Based on Porous Organic Cages for Selective Ion Sieving and Lithium–Sulfur Batteries”。上海科技大学物质学院谢琎组研究生李昊远、姜珊组研究生黄妍琳、谢琎组研究生张悦为论文共同第一作者，谢琎教授与姜珊教授为通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。
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https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04838
