北大庞全全Angew：核壳溶剂化结构实现贫电解液锂-硫电池

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-12-08 08:18

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锂硫（Li-S）电池因其高理论比能量和硫的高丰度而成为下一代能源存储的有吸引力的替代品。在过去十年中，通过将硫/多硫化物限制在多孔碳中或加入催化剂促进硫氧化还原反应（SRR）在设计正极方面取得了巨大成功。然而，同时实现高比能量和长循环寿命以找到实际电池化学的途径仍然具有挑战性。

在此， 北京大学庞全全团队 提出了一种具有核壳溶剂化结构的高度溶剂化电解液（HSE）。其通过在传统的醚基溶剂中引入磷酰胺共溶剂，成功解决了锂硫电池在稀电解液条件下的性能限制问题。

具体而言，该团队设计了一种独特的电解液，其中高供体数（DN）的六甲基磷酰胺（HMPA）被限制在锂离子的第一溶剂化壳层中，通过与醚基溶剂的强氢键作用，减少了与锂金属负极（LMA）的严重接触反应，同时提高了对[S ₃ ] ^•– 自由基的稳定性，从而促进了快速的基于自由基的溶液硫氧化还原反应（SRR）。

该电解液使得电池在高硫负载（5.5 mg/cm²）和低电解液/硫比例（4 µL/mg）条件下展现出了864 mA h/g的高比容量，并且使得2.71-Ah的软包电池实现了307 Wh/kg的高比能量和稳定的循环性能。

图1. 电解液的溶剂化结构表征

总之，该工作展示了一种与锂金属负极兼容的高度溶剂化电解液，通过将高供体数（DN）和中等大小的磷酰胺共溶剂引入到DME/DOL基础溶剂中。研究表明，HMPA与DME/DOL溶剂形成氢键，并被限制在Li ⁺ 的第一溶剂化壳层内，从而抑制了与锂金属的反应。该种独特的溶剂化结构促进了锂沉积覆/剥离的长期循环稳定性，通过形成富含无机物的锂金属SEI（LiF、Li ₃ N）。

此外，即使在较低体积分数下，HMPA也能长时间稳定三硫化物自由基，确保了溶液调节的反应路径和3D岛状Li ₂ S沉积形态，以实现在低E/S比下的高硫利用率。

基于此，开发的电解液使得电池能够在0.05 C下以5.0 μL mgsulfur−1的E/S比实现1213 mA h gsulfur ⁻¹ 的高比容量，并在0.1 C下以4.0 μL mgsulfur ⁻¹ 的E/S比实现864 mA h g ⁻¹ 的比容量。因此，该工作为促进锂-硫电池的实际应用提供了新思路。