Advanced Energy Materials:多硫离子助力实现高效镁-硫电池反应

金属-硫电池具有极高的理论能量密度,被视为最具前景的下一代储能电池体系之一。不同于传统的锂离子材料,单质硫(S8)中每个硫原子(S)可以得到两个电子从而实现1675mAh/g的电容量。得益于镁(Mg)负极超越其他金属负极的高体积能量密度、安全性能和远低于锂(Li)金属的价格,镁-硫(Mg-S)继锂-硫电池后得到广泛的关注。

然而目前报道的Mg-S电池性能包括可实现的电容量、循环寿命、能量效率等,都远低于Li-S电池。人们普遍认为硫正极导致了电容量低和容量衰减的问题,而镁负极导致了低能量效率。因为镁的沉积需要较高的极化电位,这也是Mg-S电池面临的主演问题。过去几年里,为解决这些问题,人们进行了大量的研究,主要可以归结成两个方向:其一是发展新的电解液体系,以降低镁负极的极化从而提高能量效率;其二是发展吸附材料,以降低硫的穿梭效应,提高库伦效率和循环寿命。然而,尽管已经取得了一些进展,Mg-S电池始终难以取得和Li-S电池体系相当的电化学性能。

香港中文大学卢怡君教授课题组通过原位紫外可见光谱和三电极电池表征,揭示了导致 Mg-S 氧化还原反应动力学缓慢和不良可逆性的潜在机制。研究表明, Mg-S电池中远低于Li-S电池的多硫离子浓度是导致其在常用醚类(DME)电解液里接近于固相反应,反应动力学缓慢,可逆性差的主要原因。在Mg-S电池中,由于低溶解度 S22- 的高稳定性,在放电过程伊始就会形成固体沉淀物。缺乏可溶多硫化物导致硫正极贡献了超过 50% 的电池过电位。通过引入高给电子数的电解液(如:DMSO)增加了多硫化物的溶解度,从而将放电容量从660 mAh/g提高到≈1500 mAh/g,并且将硫正极在0.1C的过电位由 >600 mV降低到≈200mV(能量效率超过90%)。基于此,以DMSO作为正极电解液的Mg-S电池体系首次在0.4C电流下实现了700mAh/g电容量超过300圈的稳定循环。该研究揭示了 Mg-S 电池的反应限制,并为高能量密度Mg-S 电池的电解质选择/设计提供了重要依据。

论文信息:

Achieving Efficient Magnesium–Sulfur Battery Chemistry via Polysulfide Mediation

Qingli Zou, Yue Sun, Zhuojian Liang, Wanwan Wang, Yi-Chun Lu*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202101552

原文链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101552