Small Methods: 多硫化物穿梭效应—金属硫化物钠离子电池负极材料衰减的新机制研究

钠离子电池因为其稳定高效、安全廉价等优点而被广泛地研究。综合近年来的报道,磷酸钒钠、层状氧化物、普鲁士蓝等钠离子电池正极材料已经被开发出来,并且表现出了优异的电化学性能和广阔的产业化前景。金属硫化物作为钠离子电池负极材料具有优异的理论比容量,然而金属硫化物负极在实际应用中往往在早期电化学过程中容量就会快速下降,导致电池失效。传统的观点认为这种快速衰减的原因是金属硫化物自身不佳的电子电导率和充放电过程中的体积膨胀问题。

近期,德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华课题组和清华大学的吕瑞涛课题组利用原位电池测试结合光谱分析技术指出,多硫化物的产生及其穿梭效应是金属硫化物电极早期性能衰减的重要因素之一。基于多硫化物在不同溶剂中的溶解度不同的性质,作者以硫化锡为例研究了充放电过程中的电解液成分情况。研究发现在多硫化物溶解度较高的碳酸丙烯酯(PC)电解液中,多硫化物(Na2S6, Na2S4)的特征吸收峰明显,并且在该电解液中硫化锡负极在早期电化学工作阶段性能快速衰减,表明了多硫化物的存在及其穿梭效应将极大地影响硫化物负极的电化学性能。

作者进一步地研究了多硫化物的溶解问题并以此提出了稳定硫化物负极材料性能的方案。基于光谱学分析发现,多硫化物在氟代碳酸乙烯酯(FEC)中溶解度不佳。利用此溶剂为电解液,硫化锡及其他金属硫化物负极表现出了稳定的电化学性能。该工作为深入研究钠离子电池负极材料尤其是转化类反应材料提供了研究策略,有望推进高理论比容量的硫化物负极材料在钠离子电池中的高效应用。相关论文以“Revealing the Critical Factor in Metal Sulfide Anode Performance in Sodium-ion Batteries: An Investigation of Polysulfide Shuttling Issues”为题,发表于Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.201900673)上。