Angew. Chem. :二硫化锂演变的原位表征助力锂硫电池反应机理研究

  • A+

锂硫电池具有低成本和高能量密度等优势,代表了新一代高比能电池的发展方向。二硫化锂(Li2S2)作为重要的反应中间产物,其电化学还原过程可以贡献一半的硫电极理论容量,Li2S2向放电终产物(Li2S)的转变效率是影响锂硫电池循环容量和寿命的关键因素。因此,表征Li2S2在充放电进程中的演变过程对进一步提升锂硫电池性能至关重要。但是,Li2S2具有热力学不稳定的特点,极大增加了研究Li2S2演变过程的难度。近日,清华大学王佳平教授、段文晖教授和香港理工大学郑子剑教授合作,结合原位X射线衍射和原位紫外-可见光谱等技术首次对锂硫电池反应过程中Li2S2的演变过程进行了系统性的表征,并探究了其对于锂硫电池循环容量的影响。


软包电池原位光谱结果分析表明,Li2S2在电池放电初期开始生成,在进入第二个放电平台时生成速率变缓。同时,由于其热力学不稳定的特质,在第二个放电平台阶段会伴随化学歧化分解。这种歧化分解不仅会导致在不贡献容量的情况下生成放电终产物Li2S,还会造成溶解的多硫化锂含量在放电过程中二次增加。进入到充电过程后,Li2S2含量开始减少,此时仍旧伴随着与其相关的化学反应。值得注意的是,充电过程结束时结晶相Li2S完全消失,而Li2S2仍存在于体系中。这说明硫电极内部非活性固体硫组分并非是普遍认知的结晶相Li2S,而是Li2S2



1
2

引入导电中间层后,锂硫电池容量增加,电池内硫组分的演化过程也发生了变化。在放电过程结束后,结晶相Li2S生成量明显提升,Li2S2生成量和溶解的多硫化物含量都减少,特别是在第二个放电平台阶段溶解的多硫化物二次增加现象明显消失。这些硫组分含量的变化与Li2S2的演变历程息息相关。导电中间层作为上层集流体,有效地降低了硫电极的极化情况,因此Li2S2向Li2S的电化学转化速率增加,同时与其相关的化学副反应也被有效抑制,从而提高了电池的循环容量。这些结果表明Li2S2在电池充放电进程中的演变过程直接影响着锂硫电池的循环性能。

0

本工作结合多种原位光谱表征技术深入探索了Li2S2在锂硫电池充放电过程中的演变,并研究了其电化学转化以及伴随的化学副反应对于电池循环容量的影响,对进一步理解锂硫电池反应机理和优化电池性能提供了重要启示和依据。

文信息

Direct Monitoring of Li2S2 Evolution and Its Influence on the Reversible Capacities of Lithium-Sulfur Batteries

Dr. Yufeng Luo, Dr. Zhenhan Fang, Dr. Shaorong Duan, Hengcai Wu, Dr. Haitao Liu, Dr. Yuxing Zhao, Dr. Ke Wang, Prof. Qunqing Li, Prof. Shoushan Fan, Prof. Zijian Zheng, Prof. Wenhui Duan, Prof. Yuegang Zhang, Prof. Jiaping Wang

清华大学罗宇峰博士,方振翰博士和段召容博士为本文的共同第一作者。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202215802




weinxin
我的微信
关注我了解更多内容

发表评论

目前评论:0