鋰-硫電池具有較高的理論容量（1667 mAh g-1）和能量密度（2510 Wh kg-1），因此被認(rèn)為是下一代高效儲能器件的選擇之一。然而，無極硫正極的離子/電子傳導(dǎo)能力差、動力學(xué)滯后；放電中間產(chǎn)物多硫化鋰具有穿梭效應(yīng)；鋰負(fù)極枝晶生長等問題限制了傳統(tǒng)鋰-硫電池的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用。
針對上述問題，浙江大學(xué)王琦教授和鄭州大學(xué)郭瑋教授將液態(tài)有機(jī)硫正極——苯基四硫（Ph-S4-Ph, PTS）與局部高濃鹽電解液（LHCE）結(jié)合，構(gòu)建了新型的“液-液界面”。將單質(zhì)硫正極動力學(xué)較差的固-液-固轉(zhuǎn)化過程簡化為液-固轉(zhuǎn)化過程；同時放電生成的有機(jī)硫鋰鹽（PhSLi）在液態(tài)正極與電解液界面之間增強(qiáng)離子傳導(dǎo)，進(jìn)一步加快了正極的動力學(xué)轉(zhuǎn)化過程。 通過調(diào)節(jié)電解液中不同溶劑的比例，PTS在電解液中呈現(xiàn)“油滴狀”，實現(xiàn)了活性物質(zhì)與電解液間液-液界面的構(gòu)筑。液-液界面比無極硫正極固有的固-液界面具有更快的界面動力學(xué)轉(zhuǎn)化過程。 在放電過程中，由于電子傳導(dǎo)速率更快，電化學(xué)反應(yīng)首先在PTS和碳納米管電極的接觸處發(fā)生，并在表面產(chǎn)生部分PhSLi。隨后，放電生成的微量PhSLi為Li+在電解液和PTS之間的傳輸提供離子通道，加快了電化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)。在放電結(jié)束后，PTS液滴轉(zhuǎn)化成更分散的Li2S；隨著循環(huán)不斷進(jìn)行，初次放電生成的大顆粒Li2S隨著固-液轉(zhuǎn)化過程在碳納米管表面逐漸縮小和分散，提升了后續(xù)充放電過程的可逆性。 基于這種獨特的界面，研究人員組裝了面載量為1.5 mg cm-2的Li|PTS半電池，展現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)的穩(wěn)定性和倍率性能。并且PTS載量為3.1 g的Li|PTS 軟包電池最大容量可達(dá)997 mAh，在100 mA電流下循環(huán)50圈后容量保持率為82.1%。該研究首次將“液態(tài)正極”的概念引入鋰-硫電池之中，為后續(xù)研究中電極界面的設(shè)計提供了新的思路。 論文信息 Acceleration of Cathode Interfacial Kinetics by Liquid Organosulfides in Lithium Metal Batteries Xucheng Lv, Qilong Yang, Xie Zhang, Jiahan Song, Prof. Wei Guo, Prof. Qi Wang 文章的第一作者為浙江大學(xué)碩士研究生呂旭成和鄭州大學(xué)碩士研究生楊啟龍 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202213160
