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，一般通過設計正極結構來緩解。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/硫（E/S）比。然而，低E/S比對于實現(xiàn)電池的高能量密度至關重要。與全固態(tài)反應相反，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，有助于更快的動力學反應。通過這種獨特的準固態(tài)反應方式，可以在抑制的多硫化物穿梭、低電解質體積和快速反應動力學之間實現(xiàn)平衡。Li金屬電池通常會因電解質溶劑分解而失效，長壽命低E/S鋰硫電池的一個先決條件是電解質不會被Li金屬負極的副反應所消耗，這對于低E/S鋰硫電池來說這是至關重要的。

昨日，發(fā)表于NatureEnergy上的最新成果，LindaF.Nazar教授課題組設計出一種低E/S電池，通過調整電解液結構同時解決了低E/S比和鋰枝晶問題。作者通過實驗和計算清楚地證明，通過降低二乙二醇二甲醚系統(tǒng)中的溶劑/鹽摩爾比，硫反應途徑從溶解-沉淀轉變?yōu)闇使虘B(tài)轉換，降低了E/S比，并阻止了多硫化物穿梭。同時，在Li負極側實現(xiàn)非樹枝晶生長和穩(wěn)定的SEI膜。隨著電解質分解減少，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)化包括粘度和電導率等物理化學性質。例如，通過合理設計氧化還原介質來改善這種準固態(tài)轉化體系中的硫和Li2S利用率，也有助于降低不可逆容量。還有必要設計一種智能結構的正極，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。

圖文導讀

圖1.LiTFSI系統(tǒng)的電解質結構的光譜和計算研究。

圖2.LiTFSI電解質中鋰硫電池的電化學特征。

圖3.循環(huán)后放電產(chǎn)物的OperandoXRD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負極SEI膜的XPS表征