美國阿貢實驗室Angew.Chem.Int.Ed: 電解質溶劑的相對溶劑化能力與鋰硫電池中多硫化物穿梭效應的關系

【引言】

鋰-硫(Li-S)電池由于其具有極高的理論比容量(1675 mAhg^-1)，并且硫無毒，價格低廉，被廣泛地認為是未來大規模儲能領域應用發展的方向。然而，Li-S電池容量的快速衰減和庫侖效率低阻礙了它的大規模商業化應用。在將硫電化學還原成硫化鋰期間，多硫化鋰（LiPS）中間體的副反應被認為是容量快速衰減和庫侖效率低的主要原因。將LiPS限制在正極內部中來解決LiPS的溶解問題是最常用的策略，例如納米碳，聚合物粘結劑和金屬有機骨架，然而，這些方法降低電池的能量密度。 另一種方法是使用具有LiPS溶解度低的新電解質溶劑代替常規電解質溶劑。例如，1,3-二氧戊環（DOL）和二甲氧基乙烷（DME）的混合物。事實證明，這種方法在提高Li-S電池的庫侖效率方面是成功的。此外，有一些研究已經指出電解質溶劑的溶劑化狀態在LiPS溶解過程中的重要性。因此，深入了解LiPS溶解與電解質溶劑溶劑化之間的關系對于開發高效的Li-S電池至關重要。

【成果簡介】

近日，美國阿貢實驗室Khalil Amine教授（通訊作者）提出了相對溶劑化能力（γ）這一概念，其定義為測試溶劑的配位百分比（α）與參比溶劑的配位百分比（α0）之間的比率，作為LiPS溶解程度的指標。在此項研究中，DOL被用作參比溶劑，因為它是Li-S電解液中使用最廣泛的溶劑，由DOL形成的固體電解質界面（SEI）可以幫助穩定鋰金屬負極。實驗結果表明，常規醚溶劑與1,3-二氧戊環（DOL）的相對溶劑化能力越高，LiPS溶解越嚴重，Li-S電池的庫侖效率越低。在電解質溶劑的相對溶劑化能力與LiPS溶解度之間存在線性相關性的事實使得相對溶劑化能力成為選擇Li-S電池電解質溶劑的重要參數。此外，相對溶劑化能力是研究電解質溶劑與鋰硫電池中LiPS溶解行為之間定量構效關系的有力工具，因為電解質溶劑的鋰溶劑化能力取決于其結構。相關研究成果以“Relationship between Relative Solvating Power of Electrolyte and Shuttling Effect of Lithium?Polysuflides in Lithium-Sulfur Batteries”為題發表在Angewandte Chemie-International Edition上。

【圖文導讀】

圖一¹H DOSY-NMR光譜

（a）4：1 的DOL：DME和（b）1：4：1 LiTFSI：DOL：DME電解質（加入甲苯作為內參照）的¹H DOSY-NMR光譜

圖二使用不同電解質的Li-S電池性能對比

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（a）使用1.0M LiTFSI加1：1 DOL：DME，1：1 DOL：THF，1：1 DOL：MeTHF和1：1 DOL：MtBE不同電解質的Li-S電池的容量保持率

（b）使用1.0M LiTFSI加1：1 DOL：DME，1：1 DOL：THF，1：1 DOL：MeTHF和1：1 DOL：MtBE不同電解質的Li-S電池的庫倫效率

圖三不同溶劑的庫侖效率與其相對溶劑化能力對數的函數關系

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【小結】

總之，引入相對溶劑化能力這一概念，其定義為溶劑與參比溶劑（DOL）之間的配位比的比率，作為鋰-硫電池中LiPS溶解度的指標。通過研究發現，電解質溶劑的相對溶劑化能力與Li-S電池中LiPS溶解度之間存在線性關系。因此，相對溶劑化能力不僅可以作為選擇電解質溶劑的重要參數，更重要的是，提供了研究電解質溶劑的定量構效關系和Li-S電池性能的工具，因為溶劑的有機結構決定了它的相對溶劑化能力。未來的工作將集中在溶劑庫的擴展和相對溶劑化能力在其他電化學存儲系統中的應用。

文獻鏈接：“Relationship between Relative Solvating Power of Electrolyte and Shuttling Effect of Lithium?Polysuflides in Lithium-Sulfur Batteries”(Angew. Chem. Int. Ed. DOI:10.1002/anie.201807367)

本文由材料人編輯部學術組微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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