鋰硫電池具有低成本和高能量密度等優(yōu)勢，代表了新一代高比能電池的發(fā)展方向。二硫化鋰（Li2S2）作為重要的反應(yīng)中間產(chǎn)物，其電化學(xué)還原過程可以貢獻(xiàn)一半的硫電極理論容量，Li2S2向放電終產(chǎn)物（Li2S）的轉(zhuǎn)變效率是影響鋰硫電池循環(huán)容量和壽命的關(guān)鍵因素。因此，表征Li2S2在充放電進(jìn)程中的演變過程對進(jìn)一步提升鋰硫電池性能至關(guān)重要。但是，Li2S2具有熱力學(xué)不穩(wěn)定的特點(diǎn)，極大增加了研究Li2S2演變過程的難度。近日，清華大學(xué)王佳平教授、段文暉教授和香港理工大學(xué)鄭子劍教授合作，結(jié)合原位X射線衍射和原位紫外-可見光譜等技術(shù)首次對鋰硫電池反應(yīng)過程中Li2S2的演變過程進(jìn)行了系統(tǒng)性的表征，并探究了其對于鋰硫電池循環(huán)容量的影響。
軟包電池原位光譜結(jié)果分析表明，Li2S2在電池放電初期開始生成，在進(jìn)入第二個放電平臺時生成速率變緩。同時，由于其熱力學(xué)不穩(wěn)定的特質(zhì)，在第二個放電平臺階段會伴隨化學(xué)歧化分解。這種歧化分解不僅會導(dǎo)致在不貢獻(xiàn)容量的情況下生成放電終產(chǎn)物L(fēng)i2S，還會造成溶解的多硫化鋰含量在放電過程中二次增加。進(jìn)入到充電過程后，Li2S2含量開始減少，此時仍舊伴隨著與其相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。值得注意的是，充電過程結(jié)束時結(jié)晶相Li2S完全消失，而Li2S2仍存在于體系中。這說明硫電極內(nèi)部非活性固體硫組分并非是普遍認(rèn)知的結(jié)晶相Li2S，而是Li2S2。
引入導(dǎo)電中間層后，鋰硫電池容量增加，電池內(nèi)硫組分的演化過程也發(fā)生了變化。在放電過程結(jié)束后，結(jié)晶相Li2S生成量明顯提升，Li2S2生成量和溶解的多硫化物含量都減少，特別是在第二個放電平臺階段溶解的多硫化物二次增加現(xiàn)象明顯消失。這些硫組分含量的變化與Li2S2的演變歷程息息相關(guān)。導(dǎo)電中間層作為上層集流體，有效地降低了硫電極的極化情況，因此Li2S2向Li2S的電化學(xué)轉(zhuǎn)化速率增加，同時與其相關(guān)的化學(xué)副反應(yīng)也被有效抑制，從而提高了電池的循環(huán)容量。這些結(jié)果表明Li2S2在電池充放電進(jìn)程中的演變過程直接影響著鋰硫電池的循環(huán)性能。 本工作結(jié)合多種原位光譜表征技術(shù)深入探索了Li2S2在鋰硫電池充放電過程中的演變，并研究了其電化學(xué)轉(zhuǎn)化以及伴隨的化學(xué)副反應(yīng)對于電池循環(huán)容量的影響，對進(jìn)一步理解鋰硫電池反應(yīng)機(jī)理和優(yōu)化電池性能提供了重要啟示和依據(jù)。 論文信息 Direct Monitoring of Li2S2 Evolution and Its Influence on the Reversible Capacities of Lithium-Sulfur Batteries Dr. Yufeng Luo, Dr. Zhenhan Fang, Dr. Shaorong Duan, Hengcai Wu, Dr. Haitao Liu, Dr. Yuxing Zhao, Dr. Ke Wang, Prof. Qunqing Li, Prof. Shoushan Fan, Prof. Zijian Zheng 清華大學(xué)羅宇峰博士，方振翰博士和段召容博士為本文的共同第一作者。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202215802
