Angew. Chem. :液态有机硫正极加速电池界面动力学过程

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锂-硫电池具有较高的理论容量(1667 mAh g-1)和能量密度(2510 Wh kg-1),因此被认为是下一代高效储能器件的选择之一。然而,无极硫正极的离子/电子传导能力差、动力学滞后;放电中间产物多硫化锂具有穿梭效应;锂负极枝晶生长等问题限制了传统锂-硫电池的发展和大规模应用。



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针对上述问题,浙江大学王琦教授和郑州大学郭玮教授将液态有机硫正极——苯基四硫(Ph-S4-Ph PTS)与局部高浓盐电解液(LHCE)结合,构建了新型的“液-液界面”。将单质硫正极动力学较差的固-液-固转化过程简化为液-固转化过程;同时放电生成的有机硫锂盐(PhSLi)在液态正极与电解液界面之间增强离子传导,进一步加快了正极的动力学转化过程。

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通过调节电解液中不同溶剂的比例,PTS在电解液中呈现“油滴状”,实现了活性物质与电解液间液-液界面的构筑。液-液界面比无极硫正极固有的固-液界面具有更快的界面动力学转化过程。

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在放电过程中,由于电子传导速率更快,电化学反应首先在PTS和碳纳米管电极的接触处发生,并在表面产生部分PhSLi。随后,放电生成的微量PhSLi为Li+在电解液和PTS之间的传输提供离子通道,加快了电化学反应的动力学。在放电结束后,PTS液滴转化成更分散的Li2S;随着循环不断进行,初次放电生成的大颗粒Li2S随着固-液转化过程在碳纳米管表面逐渐缩小和分散,提升了后续充放电过程的可逆性。

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基于这种独特的界面,研究人员组装了面载量为1.5 mg cm-2的Li|PTS半电池,展现出了优异的循环的稳定性和倍率性能。并且PTS载量为3.1 g的Li|PTS 软包电池最大容量可达997 mAh,在100 mA电流下循环50圈后容量保持率为82.1%。该研究首次将“液态正极”的概念引入锂-硫电池之中,为后续研究中电极界面的设计提供了新的思路。

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

文章的第一作者为浙江大学硕士研究生吕旭成和郑州大学硕士研究生杨启龙


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202213160




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