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Linda F. Nazar团队最新进展:Li-S电解质结构化调整:寄生反应减少20倍

发表于Nature Energy上的最新成果, Linda F. Nazar 教授课题组设计出一种低E / S电池,通过调整电解液结构同时解决了低E / S比和锂枝晶问题。

第一作者:QuanPang

第一单位:滑铁卢大学、滑铁卢纳米研究院

通讯作者:Linda F. Nazar

成果简介

由于硫和锂金属电极具有高能量密度,使得锂硫(Li-S)电池有希望成为传统锂离子电池的替代品。为了解决锂硫电池的多硫化物穿梭问题,一般通过设计正极结构来缓解。然而这种方法通常需要大量的电解液环境,且需要高电解质/硫(E / S)比。然而,低E/S比对于实现电池的高能量密度至关重要。与全固态反应相反,一小部分溶解的多硫化物的存在于界面处发生多硫化物分解反应,有助于更快的动力学反应。通过这种独特的准固态反应方式可以在抑制的多硫化物穿梭电解质体积和快速反应动力学之间实现平衡。Li金属电池通常会因电解质溶剂分解而失效长寿命低E/S锂硫电池的一个先决条件是电解质不会被Li金属极的反应所消耗对于低E / S锂硫电池来说这是至关重要的。

昨日,发表于Nature Energy上的最新成果, Linda F. Nazar 教授课题组设计出一种低E / S电池,通过调整电解液结构同时解决了低E / S比和锂枝晶问题。作者通过实验和计算清楚地证明,通过降低二乙二醇二甲醚系统中的溶剂/盐摩尔比,硫反应途径从溶解-沉淀转变为准固态转换,降低了E / S比,并阻止了多硫化物穿梭。同时,在Li负极侧实现非树枝晶生长和稳定的SEI膜。随着电解质分解减少,溶剂降解得以减轻,从而延长低E / S锂硫电池的寿命。

此外研究者还指出,进一步的研究工作需要通过筛选溶剂分子以及稀释剂和共溶剂来优化包括粘度和电导率等物理化学性质。例如,通过合理设计氧化还原介质来改善这种准固态转化体系中的硫和Li2S利用率,也有助于降低不可逆容量还有必要设计一种智能结构的正极,它可以大面积承载和活化硫,但没有过高的孔隙率来占据大部分非活性电解液。

图文导读

Li-S电解质结构化调整:寄生反应减少20倍

图1.LiTFSI系统的电解质结构的光谱和计算研究。

Li-S电解质结构化调整:寄生反应减少20倍

图2.LiTFSI电解质中锂硫电池的电化学特征。

Li-S电解质结构化调整:寄生反应减少20倍

图3. 循环后放电产物的Operando XRD研究和表征

Li-S电解质结构化调整:寄生反应减少20倍

图4.在不同比例的G2:LiTFSI电解液中Li电镀/剥离行为Li-S电解质结构化调整:寄生反应减少20倍

图5.在Cu|Li电池循环10圈后的完全剥离状态下Li负极SEI膜的XPS表征

Quan Pang, Abhinandan Shyamsunder, Badri Narayanan, Chun Yuen Kwok, Larry A. Curtiss, Linda F. Nazar.Tuning the electrolyte network structure to invoke quasi-solid state sulfur conversion and suppress lithium dendrite formation in Li–S batteries.Nature energy, 2018.DOI:10.1038/s41560-018-0214-0.

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