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北京大學(xué)龐全全Joule:采用反溶劑馴化鋰硫電池的準(zhǔn)固態(tài)反應(yīng)

北京大學(xué)龐全全Joule:采用反溶劑馴化鋰硫電池的準(zhǔn)固態(tài)反應(yīng)
從溶解-沉積反應(yīng)到準(zhǔn)固態(tài)硫反應(yīng)的轉(zhuǎn)變過(guò)程中,鋰硫電池的多硫化物穿梭和貧電解質(zhì)運(yùn)行受到了限制,但反應(yīng)動(dòng)力學(xué)卻很差。
北京大學(xué)龐全全Joule:采用反溶劑馴化鋰硫電池的準(zhǔn)固態(tài)反應(yīng)
圖1 不同溶劑體系的溶劑化結(jié)構(gòu)示意
北京大學(xué)龐全全等通過(guò)采用低密度、低成本的芳香族反溶劑分子驅(qū)動(dòng)微溶劑化電解質(zhì)(SSEs)獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)重組,從而創(chuàng)造出分子亞域,進(jìn)而使元素硫(3 mg mL-1,35℃)得到必要的溶解,同時(shí)限制了多硫化物的溶解,并保持了離子運(yùn)輸通道。
研究發(fā)現(xiàn),芳香族溶劑可與SSE充分混溶,而且所提出的策略從根本上實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)固態(tài)硫轉(zhuǎn)化反應(yīng),其中涉及溶解元素硫的反應(yīng)步驟,即硫的消耗和再轉(zhuǎn)化,由于硫的部分溶解而在動(dòng)力學(xué)上加速。反溶劑會(huì)進(jìn)一步破壞原本相互連接的三維結(jié)構(gòu),從而帶來(lái)快速的傳質(zhì)。
此外,重要的是,與之前使用的氫氟醚助溶劑不同,芳香族反溶劑出乎意料地促進(jìn)了TFSI-陰離子的還原,從而在鋰負(fù)極上形成了富含無(wú)機(jī)物的固體電解質(zhì)間相(SEI)保護(hù)層,保證了鋰負(fù)極的緊湊和均勻沉積。
北京大學(xué)龐全全Joule:采用反溶劑馴化鋰硫電池的準(zhǔn)固態(tài)反應(yīng)
圖2 半電池性能
因此,采用這種電解質(zhì)系統(tǒng)的鋰硫電池能在接近室溫的條件下快速進(jìn)行轉(zhuǎn)換反應(yīng)(即過(guò)電位降低 0.3 V),并能在5 mL mg-1的貧電解質(zhì)條件下穩(wěn)定循環(huán)~ 160次。這種精心設(shè)計(jì)的電解質(zhì)與傳統(tǒng)的醚基電解液有很大不同,是一種具有巨大潛力的新型電解質(zhì)系統(tǒng)。這項(xiàng)工作將進(jìn)一步激發(fā)硫基電池新型電解質(zhì)系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
北京大學(xué)龐全全Joule:采用反溶劑馴化鋰硫電池的準(zhǔn)固態(tài)反應(yīng)
圖3 鋰硫電池性能
Stabilized Li-S batteries with anti-solvent-tamed quasi-solid-state reaction. Joule 2023. DOI: 10.1016/j.joule.2023.07.013

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