锂硫(Li-S)电池结合了S(1675 mA h g-1)和Li(3861mA h g-1)的大重量容量,在下一代高能量密度可充电电池方面具有巨大潜力。虽然目前的研究成果在解决S正极的众多问题方面已经取得了实质性的进展,但仍需要大量过量的Li金属和液体电解质来保证锂硫电池较长的循环寿命。典型的Li-S电池具有4 mg cm-2 S正极和0.75 mm厚的Li金属箔负极,其Li/S(Li/S)容量比为20或更高。这种电池中,电解质与S(E/S)之比也可能超过S的20 mL mg-1。这些不切实际的数值在文献中很具有代表性,也导致锂硫电池电化学性能被夸大,同时损害了系统级能量密度。在保持合理的容量和可循环性的同时,如何减少过量的Li和电解液,成为了锂离子电池实现商业化的关键。这些挑战源于Li金属负极的固有低库仑效率。 Li的低还原电位(3.04 V vs.SHE)导致电解质在Li表面上发生不可逆的分解,形成固体电解质中间相(SEI膜)。在实际电流条件下的沉积,再加上电化学上难以接近或“死”Li的形成,这些副反应导致可用的电解液供应和Li库存迅速耗尽。必须使用大量过量的Li和电解质来补偿。因此,只能通过改善Li金属负极的可逆性来解决能量密度与循环性之间的折衷问题。在Li-S电池中,醚基电解质中存在可溶性和高反应性的多硫化物中间体,会影响Li的沉积,并使锂电池的特性与其他系统有着根本的区别。这就需要大胆的新策略来改善Li-S电池中Li的沉积,从而解释其独特的化学性质,并确保Li-S电池与多硫化物的相容性。稳定的锂沉积也将大大缓解锂离子枝晶,减少由其引起的电池内部短路和灾难性故障的安全隐患。
成果简介
近日,在美国德克萨斯大学奥斯汀分校Arumugam Manthiram教授等人(通讯作者)带领下,将碲(Te)作为正极添加剂引入Li-S体系中,通过在Li表面形成一层富碲、富硫化物的固态电解质间相(SEI)膜,显著提高了Li镀层/剥离的可逆性。在贫电解质条件下,Li存量有限的无负极全电池和大面积Li-S软包电池的循环性能有显著提高。碲与多硫化物反应生成可溶的多碲硫化物,迁移到负极侧,在原位形成稳定的硫碲酸锂和碲化锂作为SEI组分。Li表面的电解质分解也显著减少。这项工作证明了Te包体可用作一种稳定的Li沉积可行策略,并建立了在有限Li和有限电解质条件下保持电化学性能的稳健评价框架。相关成果以题为“Anode-free, Lean-Electrolyte Lithium-Sulfur Batteries Enabled by Tellurium-Stabilized Lithium Deposition”发表在了Joule上。