研究背景随着电动汽车和智能电子设备的广泛应用,对高能量密度、低成本充电电池提出了更高的要求。锂硫电池(Li-S)因具有较高的理论比能量而备受关注,但其性能受到多硫化物(LiPSs)溶解和穿梭效应,以及锂负极界面不稳定性的影响,从而导致硫利用率低。近年来,使用具有功能化的电解质添加剂,既构建了稳定的界面层,也抑制LiPSs的穿梭效应。成果简介近日,郑州大学付永柱教授和郭玮副教授在J. Am. Chem. Soc.上发表了题为“Isomeric Organodithiol Additives for Improving Interfacial Chemistry in Rechargeable Li-S Batteries”的论文。本文报告了一类具有三种异构体的苯二硫醇(BDTs)作为电解液添加剂,其中1,4-BDT比其他两种可以键合更多的硫原子,因此对Li-S电池性能的提升最为明显。研究表明,1,4-BDT在正极和负极上的功能化涉及到硫醇基团的化学反应。1,4-BDT与硫通过低聚反应生成S-S键,改变了硫原有的氧化还原路径,从而抑制了多硫化锂(LiPSs)的穿梭效应。同时,1,4-BDT与锂金属负极可以形成一个光滑和稳定的固体-电解质界面相(SEI),有助于Li/Li对称电池在5 mA cm-2的高电流密度下以0.08 V的超低过电位稳定循环超过300小时。此外,具有1,4-BDT的Li-S电池以C/5倍率循环显示出最高的循环稳定性,其初始容量为1548.5 mAh g-1,且循环200次后的可逆容量为1306.9 mAh g-1。含1,4-BDT和2.8 g硫载量的Li-S软包电池以C/10倍率循环,其初始容量为2640 mAh,且循环26次后容量保持率为84.2%。这项工作证明了有机二硫醇化合物可以用作功能性电解质添加剂,并为先进的Li-S电池的电解液设计提供一个新的方向。研究亮点(1)1,4-BDT添加剂与S通过反应生成S-S键,改变了硫原有的氧化还原路径;(2)1,4-BDT添加剂与锂金属负极可以形成一个稳定的SEI;(3)在苛刻条件下的Li-S软包电池展现出了优异的循环性能。图文导读1.正极反应途径的探究由于空间稳定效应,1,2-BDT和1,3-BDT分别倾向于形成二聚体和三聚体,而1,4-BDT 完全不受空间位阻效应的干扰。放电时,两个苯二硫醇自由基结合形成一个四硫化物二聚体,可以容纳2~4个硫原子,通过共价S-S键形成低聚物,且与Li+结合生成Li2-1,4-BDT,通过形成低聚物来减少硫损失,并在锂负极上形成稳定均匀的SEI层。因此,基于S-S键的低聚反应改变了常规的硫转换方式,提供了均匀的化学反应,并增强了电化学动力学。