鋰硫電池具有高達(dá)2600 Wh kg?1的理論能量密度，是最富有前景的能源儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化器件之一。然而，鋰硫電池有限的循環(huán)壽命嚴(yán)重阻礙了其實(shí)用化進(jìn)程。放電中間產(chǎn)物多硫化鋰在正極和負(fù)極的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)決定了鋰硫電池的循環(huán)性能。如果能對(duì)多硫化鋰的電極動(dòng)力學(xué)進(jìn)行合理調(diào)控，那就可以抑制負(fù)極副反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的同時(shí)不損害正極轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)，從而有望構(gòu)筑實(shí)用化長(zhǎng)循環(huán)的鋰硫電池。
近日，清華大學(xué)張強(qiáng)教授和北京理工大學(xué)李博權(quán)副研究員合作，通過(guò)關(guān)聯(lián)多硫化鋰溶劑化結(jié)構(gòu)與電極動(dòng)力學(xué)的關(guān)系以平衡其正負(fù)極動(dòng)力學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)循環(huán)的鋰硫電池。
圖1. 多硫化鋰溶劑化結(jié)構(gòu)的理論模擬結(jié)果 通過(guò)引入不同比例的氟代醚調(diào)控電解液的溶劑化能力，從而構(gòu)筑了一系列多硫化鋰的雙層溶劑化結(jié)構(gòu)并通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證（圖1）。通過(guò)對(duì)多硫化鋰的正負(fù)極動(dòng)力學(xué)分別進(jìn)行分析，關(guān)聯(lián)了不同溶劑化能力形成的溶劑化結(jié)構(gòu)與多硫化鋰正負(fù)極動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系。 圖2. 多硫化鋰電極動(dòng)力學(xué)與溶劑化結(jié)構(gòu)的關(guān)系 強(qiáng)溶劑化能力電解液形成的溶劑化結(jié)構(gòu)導(dǎo)致負(fù)極副反應(yīng)動(dòng)力學(xué)加快且負(fù)極迅速失效；而弱溶劑能力電解液形成的溶劑化結(jié)構(gòu)導(dǎo)致正極轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)遲滯且容量迅速衰減（圖2）。值得注意的是，中等溶劑化能力電解液形成的溶劑化結(jié)構(gòu)能夠平衡多硫化鋰的正負(fù)極動(dòng)力學(xué)，從而提升鋰硫電池的循環(huán)性能。 圖3. 鋰硫軟包電池循環(huán)性能 基于上述關(guān)系，作者通過(guò)調(diào)控電解液以優(yōu)化多硫化鋰溶劑化結(jié)構(gòu)，在采用50 μm超薄鋰負(fù)極和4.3 mg cm?2的高載硫正極組裝的鋰硫紐扣電池中，能夠?qū)崿F(xiàn)146圈的穩(wěn)定循環(huán)。同時(shí)，實(shí)用化條件下鋰硫軟包電池能夠?qū)崿F(xiàn)338 Wh kg?1的能量密度和30圈的穩(wěn)定循環(huán)（圖3）。該工作闡明了多硫化鋰溶劑化結(jié)構(gòu)與電極動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系，為長(zhǎng)循環(huán)鋰硫電池的電解液指明了發(fā)展方向。 論文信息 Correlating Polysulfide Solvation Structure with Electrode Kinetics towards Long-Cycling Lithium–Sulfur Batteries Zheng Li, Li-Peng Hou, Nan Yao, Xi-Yao Li, Zi-Xian Chen, Dr. Xiang Chen, Dr. Xue-Qiang Zhang, Dr. Bo-Quan Li, Prof. Qiang Zhang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202309968
