鋰硫電池由于具有高比容量和低成本等優(yōu)勢，在儲能領域有巨大的應用潛力。近日，中國科學院大學、中科院化學所在《美國化學會志》發(fā)表文章，探究鋰硫電池的界面發(fā)生機制，為具有高能量密度和優(yōu)異循環(huán)性能的Li-S電池的合理設計打開了一個全新的視角。

研究亮點：

1.發(fā)現(xiàn)了電解質(zhì)中的鋰鹽影響鋰硫電池充/放電過程中沉積/分解硫化物的結(jié)構(gòu)和形貌。

2.理解了鋰硫反應的界面動力學，揭示了納米級鹽介導的機制，為鋰硫電池界面的優(yōu)化設計提供了新的視角。

鋰硫電池由于具有高比容量和低成本等優(yōu)勢，在儲能領域有巨大的應用潛力。問題在于，多硫化物中間體的溶解造成穿梭效應，導致高的界面電阻和循環(huán)性能衰退。深入研究界面中多硫化物的形成和轉(zhuǎn)化，對鋰硫電池的發(fā)展至關重要。

鋰鹽中的陰離子對電解質(zhì)中的離子-溶劑相互作用和正極-電解質(zhì)界面上的多硫化物溶解有著關鍵影響。然而，目前很少有研究鋰鹽對正極界面硫化物轉(zhuǎn)化的影響。雖然電解質(zhì)的設計成為Li-S電池進一步發(fā)展的共識，但在正極-電解質(zhì)界面處，硫化物的實時動態(tài)轉(zhuǎn)化仍然是未知的。因此，在時間和空間四維角度下，通過實時監(jiān)測界面中鋰鹽對硫化物在電化學環(huán)境下的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和動力學的影響，是非常有意義的。

有鑒于此，中科院化學所文銳和萬立駿團隊通過對工作電池內(nèi)部的實時AFM監(jiān)測，直接觀察到鋰鹽對硫化物界面演變和動態(tài)轉(zhuǎn)變的影響。

圖1.LiTFSI-LiFSI二元鹽電解質(zhì)中正極-電解質(zhì)界面處硫化物反應的示意圖

基于LiFSI和LiTFSI的二鋰鹽電解質(zhì)的電化學反應中，顯示出層狀和球形硫化物共沉積現(xiàn)象。CV中的峰分布對應于NPs(2.1V)和由Li2S2和Li2S組成的球形/層狀沉積物(2.0-1.75V)的氧化還原峰。

共沉積的球形和層狀Li2S可歸因于電解質(zhì)中LiFSI和LiTFSI鹽共存。沉積的Li2S的獨特形態(tài)與Li鹽中不同的陰離子相關，因此Li鹽對影響界面結(jié)構(gòu)起關鍵作用。

圖2.LPS電池中沉積硫化鋰的原位AFM表征

由于層狀和球狀的形態(tài)差異，研究人員又分析了Li2S在LiFSI基、LiTFSI基和LiTFSI-LiFSI不同電解質(zhì)下的結(jié)構(gòu)變化。

在放電過程中，LiFSI誘導三維球形Li2S生長，而LiTFSI誘導二維層狀Li2S的生長。Li2S沉積電位的微小差異可能歸因于Li鹽，粘度更高，導電率更低。與基于LiFSI電解質(zhì)相比，基于LiTFSI電解質(zhì)會導致更高的極化，導致LiTFSI介導的層狀Li2S生長具有更大的超電勢。

圖3.不同鋰鹽環(huán)境中Li2S的形貌和結(jié)構(gòu)表征

圖4.片狀和球形的Li2S在LPS電池中分解的原位AFM表征

總之，這項研究通過納米尺度的實時監(jiān)測，深刻理解了Li-S電池電化學反應界面機制，為具有高能量密度和優(yōu)異循環(huán)性能的Li-S電池的合理設計打開了一個全新的視角。