张强/李博权，最新JACS！

第一作者：Xi-Yao Li

通讯作者：张强，李博权

通讯单位：清华大学，北京理工大学

论文速览

锂硫电池被认为是下一代储能技术。具有低多硫化锂(LiPS)溶剂化能力的弱溶剂化电解液可以保护锂阳极并提高循环稳定性。然而，阴极LiPS动力学不可避免地恶化，导致严重的阴极极化和有限的能量密度。本论文探讨了多硫化锂（LiPS）在弱溶剂化电解液中的动力学，旨在实现实用的锂硫（Li-S）电池。

研究发现，弱溶剂化电解液虽然能够保护锂负极并提高电池的循环稳定性，但同时也会导致严重的负极极化和有限的能量密度。通过深入分析，确定了活化极化而非浓度或欧姆极化是主要的动力学限制，这源于更高的电荷转移活化能和改变的反应速率决定步骤。为了解决这一动力学问题，研究者引入了氮化钛（TiN）作为电催化剂，相应的Li-S电池展现出降低的极化、延长的循环寿命以及在2.5 Ah级软包电池中高达381 Wh kg-1的实际能量密度。

这项工作阐明了在保护性弱溶剂化电解液中的LiPS反应机制，并强调了电催化调控策略在高能量密度和长循环Li-S电池中的应用。

图文导读

图1：适度溶剂化溶剂（DME）和弱溶剂化溶剂（HME）的电静态势，以及在不同恒电位充电电压下的穿梭电流、Li-S扣式电池中的库仑效率评估、在恶劣条件下的充放电曲线，以及在弱溶剂化电解液中LiPS阳极和阴极行为的示意图。

图2：在弱溶剂化电解液中Li-S全电池的阴极极化解耦。

图3：在弱溶剂化电解液中LiPS阴极动力学评估，涉及液-液和液-固转换的内在动力学评估。

图4：在弱溶剂化电解液中LiPS的表观动力学评估。

图5：通过引入TiN电催化剂减少弱溶剂化电解液中的活化极化。

总结展望

本研究系统地研究了弱溶剂化电解液中阴极LiPS的动力学，揭示了电解液溶剂化能力减弱时的动力学降级机制。通过极化解耦分析，发现活化极化而非浓度或欧姆极化显著增加，成为主要的动力学限制。进一步的机制研究表明，增大的活化极化源于提高的电荷转移活化能和改变的反应速率决定步骤。为了解决这一动力学问题，引入了TiN作为有效的LiPS电催化剂，以克服难以忍受的活化极化。

因此，采用弱溶剂化HME电解液和TiN电催化剂的Li-S电池展现出降低的极化、更高的比容量、延长的循环寿命，以及在2.5 Ah级软包电池中达到381 Wh kg-1的实际能量密度。这项工作不仅阐明了阴极LiPS的动力学机制，并强调了在保护性弱溶剂化电解液中的电催化调控，而且激发了对设计高能量密度和长循环Li-S电池的进一步理解。

文献信息

标题：Kinetic Evaluation on Lithium Polysulfide in Weakly Solvating Electrolyte toward Practical Lithium−Sulfur Batteries

期刊：Journal of the American Chemical Society

DOI：10.1021/jacs.4c02603