有关锂硫电池界面的机制研究

锂硫电池由于具有高比容量和低成本等优势，在储能领域有巨大的应用潜力。近日，中国科学院大学、中科院化学所在《美国化学会志》发表文章，探究锂硫电池的界面发生机制，为具有高能量密度和优异循环性能的Li-S电池的合理设计打开了一个全新的视角。

研究亮点：

1.发现了电解质中的锂盐影响锂硫电池充/放电过程中沉积/分解硫化物的结构和形貌。

2.理解了锂硫反应的界面动力学，揭示了纳米级盐介导的机制，为锂硫电池界面的优化设计提供了新的视角。

锂硫电池由于具有高比容量和低成本等优势，在储能领域有巨大的应用潜力。问题在于，多硫化物中间体的溶解造成穿梭效应，导致高的界面电阻和循环性能衰退。深入研究界面中多硫化物的形成和转化，对锂硫电池的发展至关重要。

锂盐中的阴离子对电解质中的离子-溶剂相互作用和正极-电解质界面上的多硫化物溶解有着关键影响。然而，目前很少有研究锂盐对正极界面硫化物转化的影响。虽然电解质的设计成为Li-S电池进一步发展的共识，但在正极-电解质界面处，硫化物的实时动态转化仍然是未知的。因此，在时间和空间四维角度下，通过实时监测界面中锂盐对硫化物在电化学环境下的形态、结构和动力学的影响，是非常有意义的。

有鉴于此，中科院化学所文锐和万立骏团队通过对工作电池内部的实时AFM监测，直接观察到锂盐对硫化物界面演变和动态转变的影响。

图1.LiTFSI-LiFSI二元盐电解质中正极-电解质界面处硫化物反应的示意图

基于LiFSI和LiTFSI的二锂盐电解质的电化学反应中，显示出层状和球形硫化物共沉积现象。CV中的峰分布对应于NPs(2.1V)和由Li2S2和Li2S组成的球形/层状沉积物(2.0-1.75V)的氧化还原峰。

共沉积的球形和层状Li2S可归因于电解质中LiFSI和LiTFSI盐共存。沉积的Li2S的独特形态与Li盐中不同的阴离子相关，因此Li盐对影响界面结构起关键作用。

图2.LPS电池中沉积硫化锂的原位AFM表征

由于层状和球状的形态差异，研究人员又分析了Li2S在LiFSI基、LiTFSI基和LiTFSI-LiFSI不同电解质下的结构变化。

在放电过程中，LiFSI诱导三维球形Li2S生长，而LiTFSI诱导二维层状Li2S的生长。Li2S沉积电位的微小差异可能归因于Li盐，粘度更高，导电率更低。与基于LiFSI电解质相比，基于LiTFSI电解质会导致更高的极化，导致LiTFSI介导的层状Li2S生长具有更大的超电势。

图3.不同锂盐环境中Li2S的形貌和结构表征

图4.片状和球形的Li2S在LPS电池中分解的原位AFM表征

总之，这项研究通过纳米尺度的实时监测，深刻理解了Li-S电池电化学反应界面机制，为具有高能量密度和优异循环性能的Li-S电池的合理设计打开了一个全新的视角。