苏州大学晏成林ACS Nano：新型电解质体系抑制锂硫电池中多硫化物的溶解行为

【引言】

锂硫电池作为下一代可充电电池候选者之一，尽管S₈还原至Li₂S时容量很大，但其需要采用Li金属作为负极，才能保证相应的电压。传统的液态Li⁺电解质在充电过程中，容易在负极上形成锂枝晶，从而引发安全问题，此外，中间产物Li₂S_x还会溶解在液态电解质中，产生穿梭效应，影响电池的循环寿命。因此，解决以上两个问题是目前Li-S电池研究的关键所在。

【成果简介】

近期，苏州大学晏成林教授、钱涛副研究员和美国得克萨斯大学奥斯汀分校的Li Yutao等人为了解决Li-S电池中可溶性多硫化物的穿梭效应，开发了一种双（4-硝基苯基）碳酸酯（BNC）添加剂，其可与可溶性的多硫化物Li₂S_x反应生成不溶性的多硫化物络合物和Li副产物。此外，这种Li副产物还能够和Li金属负极生成具有良好Li⁺导电率的负极钝化层，有助于Li金属的低阻抗镀覆/剥离。该项研究以题为“A New Type of Electrolyte System To Suppress Polysulfide Dissolution for Lithium−Sulfur Battery”发表在ACS Nano上。

【图文导读】

图一  Li₂S₈团簇与BNC反应的DFT计算模拟

图二  典型中间放电产物的溶解行为及电池循环中多硫化物浓度变化的原位UV/vis表征分析

(a) Li₂S₆和Li₂S₈在基准电解质和添加BNC电解质体系间的溶解行为对比；

(b) 添加BNC电解质体系在放电过程中的原位UV/vis光谱；

(c-f) 电池循环过程中不同多硫化物的浓度变化：(c) Li₂S₈, (d) Li₂S₆, (e) Li₂S₄, (f) Li₂S₂。

图三  循环后Li金属负极上SEI层的原子组分表征

(a) SEI层不同深度的化学成分示意图；

(b, c) SEI外表层的(b) C 1s和S 2p XPS图谱；

(d-f) 不同刻蚀时间下， 添加BNC电解质体系中Li金属的 (d) C 1s, (e) S 2p, (f) F 1s XPS图谱；

注：Li金属负极来源于0.5 C充放电倍率10次充放电循环后的Li-S电池。

图四  不同电解质体系中Li-S电池的电化学性能

(a) 添加BNC电解质体系中，1 C倍率下不同S负载对应Li-S电池的库伦效率；

(b) 在1 C倍率下，两种电解质在体系中不同S负载对应的平均库伦效率对比；

(c, d) 两种倍率下添加BNC电解质体系的循环稳定性曲线：(c) 0.3 C, (d) 1 C。

【小结】

在本文中，研究人员开发了了一种双（4-硝基苯基）碳酸酯（BNC）液态电解质添加剂，其可与多硫化物Li₂S_x反应形成不溶性的硫化物络合物和4-硝基苯酚锂。不溶性的硫化物络合物可以避免多硫化物的穿梭效应，而LNPH副产物会在负极上反应生成具有高Li⁺导电率的致密的钝化SEI层，使得在该层下的金属Li可以低阻抗镀覆/剥离。本文开发的添加BNC电解质，可以为电力存储提供低成本、安全、高循环寿命的Li-S电池。

原文链接：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 深海万里 供稿。

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