黄佳琦/李博权JACS：贫电解质锂硫电池中正极动力学的评估

锂硫（Li-S）电池在实现超越锂离子电池的实际高能量密度方面具有很大的前景。贫电解质条件是实现高能量密度锂电池的先决条件，尽管性能有所提高，但对贫电解质条件下硫正极动力学的基本理解仍然不足，特别是导致性能下降的关键动力学限制因素。

因此，贫电解质条件下硫正极的关键动力学限制因素仍然存在争议，需要综合动力学分析，找到关键的动力学限制因素，指导实际条件下合理的动力学推广策略设计和电池性能提升。

在此，北京理工大学黄佳琦教授与李博权副研究员团队对硫正极的极化进行了系统解耦，以确定贫电解质条件下锂硫电池中的关键动力学限制因素。

具体而言，作者开发了一种电化学阻抗谱组合恒电流间歇滴定技术方法，将正极极化解耦为活化、浓度和欧姆部分。其中，随着电解质与硫比（E/S比）的降低，硫化锂成核过程中的活化极化成为主导极化，并且界面电荷转移动力学缓慢是贫电解质条件下电池性能下降的主要原因。

因此，作者提出了一种双（氟磺酰）亚胺锂电解液来降低活化极化，采用该电解质的Li-S电池在0.2 C时，在低E/S比为4 μL mg−1的情况下提供了985 mAh g⁻¹的放电容量。

图1. 不同E/S比下硫正极放电过程的热力学和动力学

具体而言，本工作报道了贫电解质锂电池硫正极动力学的关键动力学限制因素是通过对工作条件下的动力学极化解耦确定的。

作者采用EIS-GITT方法将硫正极放电时的总η解耦为η_ac、η_con和η_ohm，并对不同E/S比条件下的正极动力学进行了系统评价。随着电解质体积的减小，Li₂S成核过程的总η最大。η_ac是Li₂S成核阶段的关键动力学限制因素，是导致贫电解质锂电池动力学迟缓和性能下降的主要原因。

为了解决上述问题，使用LiFSI锂盐代替传统的LiTFSI，使用LiFSI的电解质有效地改善了贫电解质Li-S电池的缓慢正极动力学。

使用LiFSI电解质的锂电池在整个放电过程中η_ac明显降低，放电容量为985 mAh g⁻¹, E/S比为4 μL mg⁻¹，电流密度为0.2 C。研究表明，LiPSs的界面电荷转移是关键的动力学限制过程，而η_ac是贫电解质Li-S电池的关键动力学限制因素。总之，本文提出的EIS-GITT极化解耦方法有助于理解实际工作条件下的电极过程。

图2. 使用LiFSI电解质的贫电解质锂电池的动力学评价和电池性能

Cathode Kinetics Evaluation in Lean-Electrolyte Lithium–Sulfur Batteries, Journal of the American Chemical Society 2023 DOI:10.1021/jacs.3c02786

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黄佳琦/李博权JACS：贫电解质锂硫电池中正极动力学的评估

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