反其道而行之 ，氧化還原活性中間層助力高能非水系鋰硫電池

第一作者：Byong-June Lee，Chen Zhao

通訊作者
：Gui-Liang Xu ，Khalil Amine ，Jong-Sung Yu

通訊單位：阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、大邱慶北科學(xué)技術(shù)院

與目前最先進(jìn)的鋰離子電池相比，鋰硫電池具有更高的理論比能量。然而 ，從實(shí)際應(yīng)用角度看 ，由于多硫化物在循環(huán)過程中的穿梭 ，這些電池表現(xiàn)出較差的循環(huán)壽命和較低的能量密度。為了解決這些問題
，研究人員建議在含硫正極和鋰金屬負(fù)極之間使用氧化還原惰性保護(hù)層 。然而，這些中間層為電池增加了額外的重量，降低了電池的實(shí)際能量密度。

針對(duì)上述問題，近日 ，大邱慶北科學(xué)技術(shù)院（DGIST）Jong-Sung Yu、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Khalil Amine、Gui-Liang Xu等報(bào)道了一種由硫浸漬的極性有序介孔二氧化硅組成的氧化還原活性中間層（ILs）。與氧化還原惰性中間層不同，這些氧化還原活性中間層能夠使可溶性多硫化物（LiPSs）進(jìn)行電化學(xué)再活化
，通過二氧化硅與多硫化物的極性-極性相互作用保護(hù)鋰金屬負(fù)極免受有害反應(yīng)，并提高電池容量及能量密度。該文章以“Development of high-energy non-aqueous lithium-sulfur batteries via redox-active interlayer strategy”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature Communication上 。

【內(nèi)容詳情】

1.氧化還原活性IL的設(shè)計(jì)原理

圖1. 氧化還原活性ILs的設(shè)計(jì)原理。

圖1顯示了本文開發(fā)的氧化還原活性IL與Li-S電池中傳統(tǒng)導(dǎo)電和極性IL的設(shè)計(jì)原理。非極性碳與極性LiPSs的相互作用較差，使得導(dǎo)電碳基ILs的S面負(fù)載量低 、氧化還原不活潑和LiPSs固定不足，導(dǎo)致電池的循環(huán)壽命有限和實(shí)際能量密度低（圖1a）。由于強(qiáng)烈的極性-極性相互作用，極性ILs對(duì)LiPSs雖表現(xiàn)出更好的限定作用
，但仍是電化學(xué)惰性和S的面負(fù)載量有限（圖1b）。值得注意的是硫在測(cè)試電壓范圍內(nèi)具有最高的比容量，本文設(shè)計(jì)并合成了由硫浸漬的極性片狀有序介孔二氧化硅復(fù)合材料組成的氧化還原活性IL（圖1c）（簡(jiǎn)稱為pOMS/Sx，其中x%表示復(fù)合材料中硫的重量比）。

本文開發(fā)的氧化還原活性IL的設(shè)計(jì)基于以下基本原理。首先，pOMS/Sx本身可以提供額外的活性硫并提升電池的面積容量  ，這與廣泛報(bào)道的氧化還原非活性ILs 相比，不會(huì)增加額外的非活性材料。此外，極性pOMS/Sx ILs可以通過極性-極性相互作用有效地將溶解的LiPSs固定在表面或多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而阻礙LiPSs的穿梭效應(yīng)和鋰金屬的腐蝕，從而提高循環(huán)穩(wěn)定性 。特別是 ，分離的多硫化物捕獲位點(diǎn)和電子轉(zhuǎn)移位點(diǎn)可以最大限度地提高Li-S電池與pOMS/Sx ILs在充放電過程中的反應(yīng)效率。此外，薄片式形貌可以緩解反復(fù)鋰化/脫鋰過程中硫的體積變化。當(dāng)pOMS/Sx用作夾層時(shí)有益于高面容量負(fù)載Li-S電池的性能提升 。氧化還原活性中間層可以提供額外的硫以實(shí)現(xiàn)電池的高硫負(fù)載，這可以減輕高硫負(fù)載正極方面的挑戰(zhàn)。通過這種中間層設(shè)計(jì) ，本文獲得了高面容量（>10 mAh cm-2）、高硫負(fù)載量（>10mg cm-2）和良好循環(huán)穩(wěn)定性（~700次循環(huán)）的Li-S電池 。

2.ILs的結(jié)構(gòu)及與多硫化物的相互作用

本文制備了三種氧化還原活性pOMS/Sx IL ，硫含量分別為30% 
、50% 和 70%。為了進(jìn)一步證明氧化還原活性IL概念的有效性和優(yōu)勢(shì)