【摘要】 郑州大学团队在《Advanced Materials》发表研究，通过亲核反应策略实现高压锂-有机硫电池性能突破。科学指南针提供HOMO/LUMO能隙与静电势计算支持，助力反应机理解析。

郑州大学郭玮教授、付永柱教授团队在《Advanced Materials》发表创新研究成果，通过亲核反应策略成功实现高压锂-有机硫电池从不可逆到可逆的转变。科学指南针为本研究提供HOMO/LUMO能隙和静电势计算支持，助力反应机理解析与材料设计优化。

 

研究背景与有机硫电池挑战

有机硫材料兼具硫转化反应机制和有机材料可调性优势，但在高压锂电池应用中面临多重挑战，制约其实际性能。

​核心技术瓶颈：​​

  • 放电电压低，能量密度受限

  • 电子/离子电导率不理想，动力学性能差

  • 多硫化物中间体穿梭效应严重

  • 硫-硫键断裂重组复杂，影响循环稳定性

  • 传统酯类电解液易受亲核攻击分解

 

创新方法：亲核反应设计策略

研究团队创新性地引入四甲基单硫化秋兰姆（TMTM）与二苯基四硫化物（PTS）复合，利用亲核反应机制提升电池性能。

​技术突破要点：​​

  • TMTM的C=S键作为亲核攻击位点，与PTS产生的硫阴离子反应

  • 亲核反应重新生成可逆活性材料，提升反应可逆性

  • 简化氧化还原路径，改善动力学性能

  • 抑制多硫化物穿梭效应，增强循环稳定性

图一：TMTM和PTS的亲核反应

 

理论计算与机理验证

科学指南针支持的密度泛函理论计算深入揭示亲核反应机制和材料电子结构特性，为实验设计提供理论指导。

​计算研究发现：​​

  • HOMO/LUMO能隙计算显示TMTM带隙为4.27 eV，明确电子结构特性

  • 静电势可视化分析确定C=S键碳原子为正电荷集中区域

  • 亲核攻击位点精准定位，指导分子设计优化

  • 反应自由能计算证实亲核反应在能量上允许发生

图二：TMTM和PTS的亲核反应机理以及反应自由能计算

 

材料设计与反应机理

通过TMTM与PTS的复合设计，实现有机硫电池性能的显著提升，解决传统瓶颈问题。

​机理研究突破：​​

  • PTS分子可容纳6个电子和6个锂离子，理论比容量570 mAh g⁻¹

  • 液态PTS提供快速反应动力学优势

  • 亲核反应生成二甲基氨基二硫代甲酸根阴离子（DC⁻）

  • 充电过程生成四甲基二硫化秋兰姆（TMTDIS），实现可逆循环

 

电化学性能评估

TMTM-PTS复合正极展现出卓越的电化学性能，在高电压下保持优异循环稳定性。

​性能卓越表现：​​

  • 700次循环后容量保持率超过90%，衰减率仅0.013%每循环

  • 60°C高温下循环500次，容量保持率95%

  • 70°C极端条件下稳定运行100次循环

  • 高工作电压提升能量密度，适用高压场景

图三：使用PT14电极组装的锂电池的电化学性能

 

应用前景与总结

亲核反应策略为高压锂-有机硫电池开发提供创新解决方案，推动高性能储能器件发展。

​创新价值总结：​​

  • 亲核反应机制实现从不可逆到可逆的转变

  • TMTM-PTS复合设计显著提升循环稳定性

  • 科学指南针计算支持为机理解析提供关键支撑

  • 为有机硫电池商业化应用奠定基础

​应用前景：​​

  • 高能量密度储能系统

  • 高温环境下稳定运行的电池器件

  • 可持续有机电极材料设计

  • 下一代锂电池技术开发

论文信息：Advanced Materials, 2024

DOI：10.1002/adma.202515161

​科学指南针计算服务​：提供HOMO/LUMO能隙计算与静电势分析支持，助力有机电极材料设计与反应机理解析。了解更多：https://www.shiyanjia.com/simulate.html【科学指南针·服务声明·2025】