成果簡介

由于硫和鋰金屬電極具有高能量密度，使得鋰硫(Li-S)電池有希望成為傳統(tǒng)鋰離子電池的替代品。為了解決鋰硫電池的多硫化物穿梭問題，一般通過設(shè)計(jì)正極結(jié)構(gòu)來緩解。然而這種方法通常需要大量的電解液環(huán)境，且需要高電解質(zhì)/硫(E / S)比。然而，低E/S比對于實(shí)現(xiàn)電池的高能量密度至關(guān)重要。與全固態(tài)反應(yīng)相反，一小部分溶解的多硫化物的存在于界面處發(fā)生多硫化物分解反應(yīng)，有助于更快的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。通過這種獨(dú)特的準(zhǔn)固態(tài)反應(yīng)方式，可以在抑制的多硫化物穿梭、低電解質(zhì)體積和快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)之間實(shí)現(xiàn)平衡。Li金屬電池通常會(huì)因電解質(zhì)溶劑分解而失效，長壽命低E/S鋰硫電池的一個(gè)先決條件是電解質(zhì)不會(huì)被Li金屬負(fù)極的副反應(yīng)所消耗，這對于低E / S鋰硫電池來說這是至關(guān)重要的。

昨日，發(fā)表于Nature Energy上的最新成果， Linda F. Nazar教授課題組設(shè)計(jì)出一種低E / S電池，通過調(diào)整電解液結(jié)構(gòu)同時(shí)解決了低E / S比和鋰枝晶問題。作者通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算清楚地證明，通過降低二乙二醇二甲醚系統(tǒng)中的溶劑/鹽摩爾比，硫反應(yīng)途徑從溶解-沉淀轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)固態(tài)轉(zhuǎn)換，降低了E / S比，并阻止了多硫化物穿梭。同時(shí)，在Li負(fù)極側(cè)實(shí)現(xiàn)非樹枝晶生長和穩(wěn)定的SEI膜。隨著電解質(zhì)分解減少，溶劑降解得以減輕，從而延長低E / S鋰硫電池的壽命。

此外研究者還指出，進(jìn)一步的研究工作需要通過篩選溶劑分子以及稀釋劑和共溶劑來優(yōu)化包括粘度和電導(dǎo)率等物理化學(xué)性質(zhì)。例如，通過合理設(shè)計(jì)氧化還原介質(zhì)來改善這種準(zhǔn)固態(tài)轉(zhuǎn)化體系中的硫和Li2S利用率，也有助于降低不可逆容量。還有必要設(shè)計(jì)一種智能結(jié)構(gòu)的正極，它可以大面積承載和活化硫，但沒有過高的孔隙率來占據(jù)大部分非活性電解液。

圖文導(dǎo)讀

圖1.LiTFSI系統(tǒng)的電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的光譜和計(jì)算研究。

圖2.LiTFSI電解質(zhì)中鋰硫電池的電化學(xué)特征。

圖3. 循環(huán)后放電產(chǎn)物的Operando XRD研究和表征

圖4.在不同比例的G2:LiTFSI電解液中Li電鍍/剝離行為

圖5.在Cu|Li電池循環(huán)10圈后的完全剝離狀態(tài)下Li負(fù)極SEI膜的XPS表征