Small Methods: 新型电解液添加剂助力提升锂硫电池性能

锂硫电池作为一种新型高能量密度(理论比能量高达2600 Wh kg-1)储能器件具有广泛的应用前景,近年来倍受人们的关注。但是,由于电化学过程中反应中间产物多硫化物的溶解、“飞梭”效应、金属锂枝晶生长等问题,锂硫电池的循环寿命、实际能量密度等性能都没有达到预期。为了解决这些问题,提升锂硫电池的性能,研发新型电解液是很重要的手段之一。电解液作为电池中最重要的组成部分之一,对正极电化学反应动力学和负极锂金属沉积形貌及效率都有着至关重要的影响。

近日,美国宾州州立大学(The Pennsylvania State University)的王东海教授课题组在其开发的二甲基二硫(DMDS)锂硫电池电解液的基础上,研发出了一种添加二甲基三硫(DMTS)的新型电解液。一方面,DMTS如DMDS一般可以和硫反应形成二甲基多硫化物(DMPS)改变正极电化学反应路径,改善反应动力学,增加电池循环稳定性。另一方面,DMTS(理论容量851 mAh g-1)作为一种电化学活性物质通过断开-SSS-键可以提供比DMDS(理论容量570 mAh g-1)更多的的容量,进一步提升锂硫电池能量密度。此外,该组研究人员还发现,DMTS还可以与反应终产物硫化锂反应形成多硫化物。硫化锂的不可逆沉积被认为是锂硫电池容量衰减的重要原因之一。DMTS与硫化锂反应,形成可以溶解于电极液当中的多硫化物,可以减少锂硫电池的不可逆容量损失,提升电池的循环稳定性。而根据以往研究表明,形成的多硫化物还可与电解液中的硝酸锂添加剂协同作用起到提升金属锂负极性能的作用。经过测试表明,在使用DMTS电解液后,锂硫电池的容量和循环性能都得到了极大的提升。经过288周的循环后,以含硫量70 wt%的碳硫复合物制备的正极,每圈容量衰减仅为0.11%,放电容量仍维持在600 mAh g-1composite(基于碳硫复合物质量计算)以上。兼具DMDS电解液和多硫化物电解液的优势,大大提升锂硫电池的容量,循环寿命和稳定性,这些优势都促使DMTS新型电解液成为下一代锂硫电池电解液的选择。

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