蘇州大學晏成林ACS Nano：新型電解質體系抑制鋰硫電池中多硫化物的溶解行為

【引言】

鋰硫電池作為下一代可充電電池候選者之一，盡管S₈還原至Li₂S時容量很大，但其需要采用Li金屬作為負極，才能保證相應的電壓。傳統的液態Li⁺電解質在充電過程中，容易在負極上形成鋰枝晶，從而引發安全問題，此外，中間產物Li₂S_x還會溶解在液態電解質中，產生穿梭效應，影響電池的循環壽命。因此，解決以上兩個問題是目前Li-S電池研究的關鍵所在。

【成果簡介】

近期，蘇州大學晏成林教授、錢濤副研究員和美國得克薩斯大學奧斯汀分校的Li Yutao等人為了解決Li-S電池中可溶性多硫化物的穿梭效應，開發了一種雙（4-硝基苯基）碳酸酯（BNC）添加劑，其可與可溶性的多硫化物Li₂S_x反應生成不溶性的多硫化物絡合物和Li副產物。此外，這種Li副產物還能夠和Li金屬負極生成具有良好Li⁺導電率的負極鈍化層，有助于Li金屬的低阻抗鍍覆/剝離。該項研究以題為“A New Type of Electrolyte System To Suppress Polysulfide Dissolution for Lithium?Sulfur Battery”發表在ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖一? Li₂S₈團簇與BNC反應的DFT計算模擬

圖二? 典型中間放電產物的溶解行為及電池循環中多硫化物濃度變化的原位UV/vis表征分析

(a) Li₂S₆和Li₂S₈在基準電解質和添加BNC電解質體系間的溶解行為對比；

(b) 添加BNC電解質體系在放電過程中的原位UV/vis光譜；

(c-f) 電池循環過程中不同多硫化物的濃度變化：(c) Li₂S₈, (d) Li₂S₆, (e) Li₂S₄, (f) Li₂S₂。

圖三 ?循環后Li金屬負極上SEI層的原子組分表征

(a) SEI層不同深度的化學成分示意圖；

(b, c) SEI外表層的(b) C 1s和S 2p XPS圖譜；

(d-f) 不同刻蝕時間下， 添加BNC電解質體系中Li金屬的 (d) C 1s, (e) S 2p, (f) F 1s XPS圖譜；

注：Li金屬負極來源于0.5 C充放電倍率10次充放電循環后的Li-S電池。

圖四? 不同電解質體系中Li-S電池的電化學性能

(a) 添加BNC電解質體系中，1 C倍率下不同S負載對應Li-S電池的庫倫效率；

(b) 在1 C倍率下，兩種電解質在體系中不同S負載對應的平均庫倫效率對比；

(c, d) 兩種倍率下添加BNC電解質體系的循環穩定性曲線：(c) 0.3 C, (d) 1 C。

【小結】

在本文中，研究人員開發了了一種雙（4-硝基苯基）碳酸酯（BNC）液態電解質添加劑，其可與多硫化物Li₂S_x反應形成不溶性的硫化物絡合物和4-硝基苯酚鋰。不溶性的硫化物絡合物可以避免多硫化物的穿梭效應，而LNPH副產物會在負極上反應生成具有高Li⁺導電率的致密的鈍化SEI層，使得在該層下的金屬Li可以低阻抗鍍覆/剝離。本文開發的添加BNC電解質，可以為電力存儲提供低成本、安全、高循環壽命的Li-S電池。

原文鏈接：A New Type of Electrolyte System To Suppress Polysulfide Dissolution for Lithium–Sulfur Battery (ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b03304)

本文由材料人 深海萬里 供稿。

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