鋰硫電池由于具有高比容量和低成本等優(yōu)勢(shì)，在儲(chǔ)能領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。近日，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、中科院化學(xué)所在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》發(fā)表文章，探究鋰硫電池的界面發(fā)生機(jī)制，為具有高能量密度和優(yōu)異循環(huán)性能的Li-S電池的合理設(shè)計(jì)打開了一個(gè)全新的視角。

研究亮點(diǎn)：

1.發(fā)現(xiàn)了電解質(zhì)中的鋰鹽影響鋰硫電池充/放電過程中沉積/分解硫化物的結(jié)構(gòu)和形貌。

2.理解了鋰硫反應(yīng)的界面動(dòng)力學(xué)，揭示了納米級(jí)鹽介導(dǎo)的機(jī)制，為鋰硫電池界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的視角。

鋰硫電池由于具有高比容量和低成本等優(yōu)勢(shì)，在儲(chǔ)能領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。問題在于，多硫化物中間體的溶解造成穿梭效應(yīng)，導(dǎo)致高的界面電阻和循環(huán)性能衰退。深入研究界面中多硫化物的形成和轉(zhuǎn)化，對(duì)鋰硫電池的發(fā)展至關(guān)重要。

鋰鹽中的陰離子對(duì)電解質(zhì)中的離子-溶劑相互作用和正極-電解質(zhì)界面上的多硫化物溶解有著關(guān)鍵影響。然而，目前很少有研究鋰鹽對(duì)正極界面硫化物轉(zhuǎn)化的影響。雖然電解質(zhì)的設(shè)計(jì)成為L(zhǎng)i-S電池進(jìn)一步發(fā)展的共識(shí)，但在正極-電解質(zhì)界面處，硫化物的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化仍然是未知的。因此，在時(shí)間和空間四維角度下，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面中鋰鹽對(duì)硫化物在電化學(xué)環(huán)境下的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的影響，是非常有意義的。

有鑒于此，中科院化學(xué)所文銳和萬立駿團(tuán)隊(duì)通過對(duì)工作電池內(nèi)部的實(shí)時(shí)AFM監(jiān)測(cè)，直接觀察到鋰鹽對(duì)硫化物界面演變和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變的影響。

圖1.LiTFSI-LiFSI二元鹽電解質(zhì)中正極-電解質(zhì)界面處硫化物反應(yīng)的示意圖

基于LiFSI和LiTFSI的二鋰鹽電解質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)中，顯示出層狀和球形硫化物共沉積現(xiàn)象。CV中的峰分布對(duì)應(yīng)于NPs(2.1V)和由Li2S2和Li2S組成的球形/層狀沉積物(2.0-1.75V)的氧化還原峰。

共沉積的球形和層狀Li2S可歸因于電解質(zhì)中LiFSI和LiTFSI鹽共存。沉積的Li2S的獨(dú)特形態(tài)與Li鹽中不同的陰離子相關(guān)，因此Li鹽對(duì)影響界面結(jié)構(gòu)起關(guān)鍵作用。

圖2.LPS電池中沉積硫化鋰的原位AFM表征

由于層狀和球狀的形態(tài)差異，研究人員又分析了Li2S在LiFSI基、LiTFSI基和LiTFSI-LiFSI不同電解質(zhì)下的結(jié)構(gòu)變化。

在放電過程中，LiFSI誘導(dǎo)三維球形Li2S生長(zhǎng)，而LiTFSI誘導(dǎo)二維層狀Li2S的生長(zhǎng)。Li2S沉積電位的微小差異可能歸因于Li鹽，粘度更高，導(dǎo)電率更低。與基于LiFSI電解質(zhì)相比，基于LiTFSI電解質(zhì)會(huì)導(dǎo)致更高的極化，導(dǎo)致LiTFSI介導(dǎo)的層狀Li2S生長(zhǎng)具有更大的超電勢(shì)。

圖3.不同鋰鹽環(huán)境中Li2S的形貌和結(jié)構(gòu)表征

圖4.片狀和球形的Li2S在LPS電池中分解的原位AFM表征

總之，這項(xiàng)研究通過納米尺度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，深刻理解了Li-S電池電化學(xué)反應(yīng)界面機(jī)制，為具有高能量密度和優(yōu)異循環(huán)性能的Li-S電池的合理設(shè)計(jì)打開了一個(gè)全新的視角。