黄佳琦/张睿ACS Energy Letters：平衡电位模型揭示锂硫电池中多硫化锂的相转换

由于多硫化锂（LPSs）和硫化锂（Li₂S）的超复杂相变，目前锂硫电池的商业化受到了电化学不稳定和容量损失的阻碍。揭示这一机制对于合理调节正极反应过程以提高循环稳定性和容量保持率至关重要。

图1 平衡电位模型及两种转换途径的示意

北京理工大学黄佳琦、张睿等建立了一个平衡电位模型来揭示工作中的Li-S电池在不同的电解液/硫比例下的两种转化途径。根据放电过程中正极中硫化物的不同相态，作者分阶段模拟了平衡电位。

通过用GITT数据的开路电压（OCP）拟合模型参数，得到了与实验高度一致的模拟结果，它被近似为电池的准热力学平衡电位。从平衡电势的角度，提出了两种相变机制：（1）过饱和Li₂S的亚稳态促成了放电曲线初始阶段的电位下降；(2) LPSs的沉积对应于典型的两平台模式之外的三平台电压曲线。

此外，模拟的电位曲线也与以前的实验工作一致，进一步证实了所提出的机制。

图2 Li₂S的过饱和现象

这将有助于电极动力学的改进和高比能量密度Li-S软包电池的设计。这也加深了对正极中硫化物转化的理解，为解释工作电压曲线的失真提供了一种新的方法。在此基础上，作者还提出了选择性控制LPSs沉积的K_sp,Li2Sn的下限建议，为电解液筛选和电池组装提供了定量指导。

此外，对建模方法和准确模拟电池曲线所需的标准电极电位值的把握，为进一步研究多硫化物的转化机制以及动力学模型的建立提供了基础。同时，平衡电势建模的方法可以作为今后研究中电池工作状态监测的基础。

图3 LPSs的沉积（以Li₂S₂为例）

Lithium (Poly)sulfide Phase Conversion in Working Lithium–Sulfur Batteries: The Insight from the Equilibrium Potential Model. ACS Energy Letters 2023. DOI: 10.1021/acsenergylett.3c00709

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黄佳琦/张睿ACS Energy Letters：平衡电位模型揭示锂硫电池中多硫化锂的相转换

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