黄云辉/李真AEM: 固体转换型硫正极的衰减机制和长寿命锂硫电池设计策略

硫正极表面形成的正极电解液界面（CEI）在决定锂硫电池能否通过固相转化反应发挥作用方面起着至关重要的作用，可以有效地抑制多硫化物（LiPSs）的溶解。然而，目前对于锂硫电池CEI的演变和失效机制缺乏系统的研究。

在此，华中科技大学黄云辉教授、李真教授等人发现形成的CEI完整性与硫的含量和电解液的量密切相关。尽管CEI可以完全抑制LiPSs的溶解，但在重复的锂化/脱锂过程中，固-固双相转化（S-Li₂S）仍然会带来连续的体积膨胀和收缩。

当还原产物的体积 (Li₂S/Li₂S₂) 大于硫主体的最大体积时，由于活性材料的体积膨胀应力，形成的CEI会破裂。裂解的CEI导致电解液的不断分解和活性材料的消耗，这可能会加速电化学性能的下降。

图1. 不同硫含量形成的CEI的XPS表征

因此，为了通过固相转化实现延长的循环稳定性，硫的含量和主体的内部空间应该很好地匹配。基于上述理解，组装的硫（50 wt%）-石墨全电池提供819 mAh g^-1的初始可逆放电容量并在1 C时2000次循环后保留445 mAh g^-1，每循环衰减率仅为0.03％，库伦效率始终保持≈100％。

当硫含量为60 wt% 时，含硫量为4.3 mg cm^-2且贫电解液（E/S = 3 µL mg^-1）的电池可提供7.4 mAh cm^-2的高初始面积容量并在1/20 C下经过13个循环后仍保持4.3 mAh cm^-2。该工作揭示了锂硫电池固相转化反应的失效机理，为设计长寿命高硫正极材料提供启发。

图2. 硫正极经历固-固双相转化示意图及锂硫电池的循环性能

Insight into the Fading Mechanism of the Solid-Conversion Sulfur Cathodes and Designing Long Cycle Lithium-Sulfur Batteries, Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202102774

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黄云辉/李真AEM: 固体转换型硫正极的衰减机制和长寿命锂硫电池设计策略

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