ACS Energy Lett.：贫电解液条件下用于锂硫电池的双功能高给体电解液

电解液工程是锂硫（Li-S）电池中一种非常有前景的策略，可提高硫利用率并在锂金属负极处保持稳定的界面以实现长期循环。高给体电解液可增加多硫化物的溶解度以促进硫的利用，因此可在贫电解液条件下运行，但其对锂金属负极的热力学稳定性差会导致其界面处不受控制的分解并严重影响循环寿命。

在此，瑞士弗里堡大学Ali Coskun、韩国首尔国立大学Jang Wook Choi等人报道了一种双功能高给体电解液3-氟吡啶（3-FPN），以同时实现高达1.5 M的高多硫化物溶解度和与锂金属的相容性。

研究表明，吡啶（PN）可锚定在碱金属表面上且随后金属层溶解立即形成涂层以稳定金属表面。此外，PN具有固有的高糖度有望促进硫的高利用率。因此，可考虑通过添加氟等电负性官能团来调节PN的多性以削弱PN对锂负极的高反应性，同时保持多硫化物的高溶解度。尽管3-FPN和4-FPN显示出相似的给体数（DN），但作者选择了3-FPN作为电解液溶剂，因为3-FPN在室温下呈现液体形式且具有高达4.0 V的良好氧化稳定性、低密度（1.13 g mL^-1）和25 °C时2.05 D的高偶极矩的额外优势。

图1. 不同溶剂的化学结构和物理性质

因此，在不含LiNO₃添加剂、贫电解液（7 μL mg^-1）条件下，只有基于1 M LiTFSI-3-FPN的Li-S全电池在0.03 C下表现出1087.9 mAh g^-1的出色比容量、可逆的充放电平台和99.0%的ICE。与此形成鲜明对比的是，基于1 M LiTFSI-PN和1 M LiTFSI-DOL/DME的电池无法在贫电解液条件下运行。甚至，在硫负载量为2.5 mg cm^-2、电解液/硫（E/S）为7 μL mg^-1时，基于1 M LiTFSI-3-FPN电解液的电池在0.1 C下50 次循环后容量保持率为70.7%，稳定的CE约为120%。即使在8 mg cm^-2的高面积硫负载下，3-FPN仍保持稳定的可循环性。

上述研究证实，将氟原子掺入PN环上不仅适当控制了3-FPN的多价性，而且促进了在锂金属表面上形成富含LiF的稳定SEI层。总之，这种双功能高给体溶剂为针对实用Li-S电池的电解液设计树立了新的标杆。

图2. 1 M LiTFSI-3-FPN电解液在高面积硫负载下的电化学表征

Dual Functional High Donor Electrolytes for Lithium-Sulfur Batteries under Lithium Nitrate Free and Lean Electrolyte Conditions, ACS Energy Letters 2022. DOI: 10.1021/acsenergylett.2c00874

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ACS Energy Lett.：贫电解液条件下用于锂硫电池的双功能高给体电解液

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