碳錨定離子液體構建離子-電子混合傳導網絡用于高性能鋰硫電池

【研究背景】

鋰硫電池因其高理論比容量（1675 mAh g^-1）與低成本，被認為是下一代高能量密度儲能體系的重要候選。然而，硫及其放電產物Li₂S均具有本征絕緣性，且多硫化鋰在電解液中易發生穿梭效應，導致動力學遲滯、極化加劇及容量遞減。尤其在高硫載、高面容量、低電解液及固態電池條件下，電子傳輸與鋰離子傳輸不同步成為制約轉化效率的根本瓶頸。因此，如何構建一種 可同時快速傳導電子和Li⁺的連續網絡結構 成為推動鋰硫電池走向實際應用的核心科學問題。

【工作簡介】

近日，清華大學深圳國際研究生院呂偉教授及耿傳楠博士提出了一種“碳骨架錨定離子液體”的普適策略，通過π–π作用將咪唑類離子液均勻固定于碳納米管骨架上，形成連續混合離子-電子傳導網絡。該結構可實現硫轉化過程中的離子-電子同步供給，顯著降低Li₂S成核勢壘，促進三維沉積形貌，最終實現超過1000圈穩定循環以及Ah級鋰硫軟包電池（1.7Ah，379 Wh kg^-1）的成功示范，并進一步拓展至固態鋰硫體系。

【內容表述】

在這項研究中，研究人員開發了一種通過π-π相互作用將咪唑基離子液體錨定于碳納米管表面的通用策略，構建了連續的混合離子-電子導體網絡。研究團隊選用不同烷基鏈長度的咪唑類離子液體（C2、C4、C8-mimTFSI）與多壁碳納米管復合，經熱處理后獲得穩定錨定的超薄離子液體層。高分辨透射電鏡證實該層厚度約2納米，X射線光電子能譜顯示TFSI陰離子可吸附鋰離子，形成沿碳骨架的跳躍傳導路徑。通過調控離子液體與碳管質量比，優化得到MIEC-10材料，在保持足夠硫載量的同時實現了離子與電子導電性的最佳平衡。電化學測試表明，MIEC-10使Li₂S成核過電位降低至28.2mV，電荷轉移活化能顯著下降。采用MIEC-10的液態鋰硫電池在2mg/cm²載硫量下，于2C倍率仍可輸出600mAh/g以上容量；在5mg/cm²高載硫與5μL/mg的貧電解液條件下，循環120次后保持762.1mAh/g。該材料在固態電池中同樣有效，PEO基固態電池在4 mg/cm²載硫量下循環70次容量保持率超過80%。Ah級軟包電池實現了1.7Ah容量與379Wh/kg能量密度。該研究通過離子液體錨定碳策略，成功將傳統硫宿主材料轉化為連續混合導體，解決了鋰硫電池中離子-電子傳輸失配的關鍵瓶頸。這一界面設計不僅同步了離子與電子供給，降低反應極化，還促進了Li₂S的三維沉積，顯著提升了硫利用率與循環穩定性。研究結果表明，該方法在液態與固態體系中均展現出優異的實用化潛力，特別是在高載硫、貧電解液條件下表現突出。Ah級軟包電池的實現驗證了該策略的放大可行性。這項工作為鋰硫電池從實驗室研究向實際應用轉化提供了可擴展的技術路徑，同時也為其他需要同步離子-電子傳輸的電化學儲能體系提供了通用設計思路。

圖1 離子液錨定在碳上構建的離子-電子混合導體。a. C2、C4、C6與C8-mim陽離子的靜電勢分布圖；b. 不同烷基取代咪唑材料在碳層表面的吸附能比較；c. CNT表面離子液涂層的高分辨透射電鏡（HRTEM）圖像；d. C4@CNT在與LiTFSI相互作用前后的O1s XPS光電子能譜；e. 離子液體、碳層與Li⁺之間界面相互作用示意圖；f. 不同離子液層厚度的材料的傅里葉變換紅外光譜；g. 材料的離子電導率與電子電導率比較；h. 根據GITT計算得到的Li⁺擴散系數。

圖2 基于離子-電子混合導體構建的PEO基固態鋰硫電池以及Ah級軟包電池的性能圖。

【文獻詳情】

Chuannan Geng*, Yiyuan Lei, Jiwei Shi, Zhonghao Hu, Jiangshan Qi, Bohan Zhang, Jiaqi Lan, Yufei Zhao, Sichen Gu, Wei Lv*. Ionic Liquids Anchored on Carbon Synchronize Ion-Electron Transport in Liquid- and Solid-State Sulfur Batteries ACS Energy Lett. 2025, 10.1021/acsenergylett.5c03148.