“美女学霸”浙大陆盈盈新成果:厉害了!延长Li-SPAN软包电池7倍循环寿命!

研究背景

锂硫(Li–S)电池结合了锂(3862 mAh g–1)和硫(1672 mAh g–1)的大比容量,被公认为下一代高能量密度能源系统。然而,对于传统的“液态”锂硫电池配置,由于其固有的氧化还原反应特性,通常需要多余的锂金属(>500 μm)和液态电解液(>20 μL mgS–1),这会抑制能量密度(重量能量密度<200 Wh kg–1和体积能量密度<400 Wh L–1),并导致长循环错觉。

具有“固相”机制的硫正极,如硫化聚丙烯腈(SPAN),为Li-S全电池找到了一条新途径来协调能量密度和循环性之间的矛盾。不幸的是,SPAN正极的优越性仅在碳酸酯基电解液中得到支持(稳定循环超过500次),而多硫化物的溶解仍然存在于醚类电解液中,从而显示出快速的容量衰减(100次循环中容量损失70%)。推测正极-电解质界面(CEI)将在缓解多硫化物释放等界面相关问题方面发挥关键作用,但电解液与SPAN正极之间的相互作用机制很少受到关注。此外,由于形成了不良的固态电解质界面(SEI),用于SPAN正极的常规电解液不能有效地钝化锂。因此,Li-SPAN全电池的进一步发展将很大程度上取决于S和Li 的定制电极-电解质界面,而设计合适的电解质无疑代表了一条有利于稳定Li-SPAN全电池的捷径。
成果简介

“美女学霸”浙大陆盈盈新成果:厉害了!延长Li-SPAN软包电池7倍循环寿命!

近日,浙江大学陆盈盈研究员等人通过界面分析证明了环状碳酸酯在将SPAN从醚类电解液中的“固-液”机制转化为“固相”机制中的作用。研究发现,由环状碳酸酯衍生的共形聚碳酸酯CEI被确定在消除致命穿梭效应方面发挥关键作用,从而保护SPAN的“固相”机制。

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定制的电解液还诱导了双层SEI,其具有增强的Li+ 传输和机械强度,从而解锁了超薄锂负极的兼容性。结果,由高容量SPAN正极(4.08 mAh cm-2)和1.2倍过量锂负极组成实用的Li-SPAN软包电池,可实现 615 Wh L-1的体积能量密度,并且循环寿命至少是传统的碳酸酯电解液的7倍,优于大多数报道的Li-S软包电池。
图文精读

电化学行为的转变

Li-SPAN半电池在1M LiFSI/DME的基线醚类电解液中表现出极差的容量保持率和异常CE (>120%)。如此差的电化学性能归因于多硫化物的溶解和所述的穿梭效应。紫外光谱清楚地检测到S42-和S62-物种。此外,该电池还显示出与传统的Li-S电池类似两步放电平台。值得注意的是,当用碳酸乙烯酯(EC)(即1M LiFSI/DME-EC,v/v 4:1)替换少量醚溶剂时,可以扭转上述现象。EC的引入使SPAN能够恢复固-固转化机制,包括超高可逆循环、不可检测的多硫化物中间体和单一的电化学平台,因此具有长期稳定的循环。CV测试进一步证实了充放电曲线的测试结果。如此小的EC比例很可能表明它取决于有效CEI的形成来完成氧化还原机制的转变。因此,电解液中EC的存在对于修复动态变化的CEI是非常必要的。然而,当切换到线性碳酸酯(例如,碳酸二甲酯 (DMC) 和碳酸二乙酯 (DEC))时,循环性能的改善失败。

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图1. SPAN正极在不同电解液中的电化学行为
正极界面化学
进行高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)表征以了解含EC电解质具有出色正极保护的原因。在1M的LiFSI/DME,CEI的厚度非常不均匀,范围从5至14纳米,甚至有些区域没有覆盖,这有助于多硫化物的溶解。相比之下,在1M LiFSI/DME-EC中形成的CEI即使在较大的观察区域内也能共形地包围SPAN粒子,平均厚度在2.5和3.5 nm之间。同时,CEI主要由非晶态材料组成,这可能是由EC分解/聚合得到的。一种可能的解释是,由于Li+–EC的强相互作用,1M LiFSI/DME-EC中几乎所有的EC共溶剂分子都参与了Li+的主溶剂化鞘层,从而主导CEI的形成反应。

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图2. SPAN颗粒的表面形态
利用 XPS对CEI进行了详细的成分分析。结果显示,在1M LiFSI/DME-EC中循环的SPAN正极比在1M LiFSI/DME中循环的具有更高的C 1s强度(例如C–C/C–H、C–O和C=O),并且在290.8 eV处显示出一个新的峰值,对应于聚碳酸酯,这可归因于EC共溶剂的分解。与1M LiFSI/DME-EC相比,1M LiFSI/DME在F 1s光谱中检测到明显的高LiF峰,在S 2p光谱中检测到更明显的氧化硫物种信号(亚硫酸盐和硫代硫酸盐),这源于LiFSI的分解。

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图3. CEI的化学成分
两种电解液中CEI的模型可以用图3b,c中的图表来描述。常规醚类电解液中易形成无机含量高的混合CEI,但存在缺陷积累。不完全的构象为电解液和SPAN之间的直接接触提供了途径,从而导致多硫化物的不断释放,促进向“固液”机制的转变,并导致容量衰减。对于含EC的电解液,有机相的富集赋予了CEI一个紧密的组成,这有助于消除多硫化物从SPAN骨架泄漏。同时,紧凑的CEI防止了电解液的进一步侵入,减轻了LiFSI和溶剂的持续分解,因此具有与SEI类似的自我控制的厚度。重要的是,共形结构使定制的CEI包裹在SPAN颗粒上,确保能够控制活性S的电化学行为。
Li-SPAN电池电解液设计
虽然已经确定含EC的醚类电解液可以保持SPAN正极良好的循环稳定性,但它们通常与锂金属负极(LMA)不兼容。为此,作者设计了2 M LiFSI/EC电解液。Li/Cu电池显示,当使用2 M LiFSI/EC时,观察到显着改善的Li CE,在400次循环中平均为 97.45%,远高于商业碳酸酯电解液。

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图4. LMA的测试和表征
进一步采用XPS深度剖面分析来表征SEI。改性后的SEI在不同深度处的组分含量和种类基本不变,说明无机-有机复合材料的均匀性。该SEI具有独特的多层结构,外层排列有超薄且高度有序的Li2O晶体层,而内层呈现镶嵌结构,包括Li2O和Li2CO3。据报道,致密的Li2O壳层可以带来均匀的Li+传输以及提高的机械强度,因此,SEI有可能持续有效地阻止Li枝晶的形成。此外,内层中Li2O和Li2CO3含量丰富且分布均匀,具有比LiF更高的Li+电导率,有利于指导大尺寸的Li沉积,这是获得高Li-CE的必要条件。
Li-SPAN全电池的电化学性能
首先评估了与具有中等面积容量(即1.86 mAh cm–2,相应的N/P比为 3.59)的SPAN正极相匹配的工作电池的循环性能。由于 2 M LiFSI/EC中锂稳定性更好,全电池的寿命显着延长,在120次循环后仍保留 80%的可逆容量。当使用高负载SPAN正极(3.64 mAh cm–2)时,可以更好地实现定制CEI和SEI带来的显着优点。正如预期的那样,2 M LiFSI/EC使Li-SPAN全电池在0.3 C下具有卓越的循环性能(69次循环;1 M/LiFSI/EC-DEC中仅10次循环)。更令人印象深刻的是,由50 μm LMA 和具有4.08 mAh cm–2 S的厚SPAN正极组装的单层软包电池(100 mAh)仍然可以显示出显着的循环性能。在苛刻的条件下经过85次循环后获得了75%的高容量保持率,并且计算出的体积能量密度高达615 Wh L–1,这证实了定制电解液的实际应用可行性。对于1 Ah级别的冲压电池(5层正极),体积能量密度可以进一步提升至 659 Wh L –1。相较于报道在文献中的Li-S全电池,使用2 M LiFSI/EC的Li-SPAN全电池的电化学性能具有很强的竞争优势。

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图5. Li-SPAN全电池的性能
总结展望

总之,这项工作报道环碳酸酯通过形成共形聚碳酸酯CEI有助于维持SPAN氧化还原的“固相”机制,有效地防止了多硫化物的溶解,为电解液适应SPAN正极提供了设计指导。此外,还开发了2M LiFSI/EC作为Li-SPAN全电池专用电解液。这项工作中描述的电解液设计原则证明了Li-S全电池的实用价值和应用潜力。

文献信息

Tailored Electrolytes Enabling Practical Lithium–Sulfur Full Batteries via Interfacial Protection. ACS Energy Letters 2021. DOI: 10.1021/acsenergylett.1c01091

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