Khalil Amine/徐桂良Angew: 通过正极-电解液协同作用实现实用锂硫电池

锂硫（Li-S）电池的商业化仍然受到实际工作条件下电池性能不理想的阻碍，这主要是由于正极氧化还原动力学缓慢、多硫化物穿梭严重及锂剥离/电镀可逆性差造成的。

在此，美国阿贡实验室Khalil Amine、徐桂良等人报道了一种有效的策略，将有序大孔框架中掺杂硒的S正极（OMSH-Se/S）与高度氟化醚（HFE）基电解液相结合以同时解决正极和负极中的上述问题。通过飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）表征，作者发现多硫化物和多硒化物（LiPSs/LIPSes）在HFE基电解液中的溶解得到了显著抑制，这可以诱导在循环锂金属负极表面形成均匀的富含LiF的SEI。

原位HEXRD表明，OMSH-Se/S正极在HFE基电解液中表现出高度可逆的电化学行为。同时，原位近边X射线吸收结构（XANES）结果证实，OMSH-Se/S正极的Se原子在放电过程中发生了直接的固固转变，绕过了高度可溶的中间体从而消除了穿梭效应。

图1. 正极材料的结构和成分分析

结果表明，OMSH-Se/S正极材料在160 mA g^-1的电流密度下可提供1065.25 mAh g^-1的可逆比容量和高库仑效率（>99.5%）。此外，在 2 mg cm^-2的面积Se/S负载下，可在300次循环后实现81.77 % 的高容量保留率。即使在5.8 mg cm^-2的高面积Se/S负载下，Li-S电池在HFE 基电解液中仍能提供>5.4 mAh cm^-2的高面积容量，库仑效率>99.2 %。

此外，在高温（55 °C）和低温（0 °C）下，厚Se/S正极（>5.0 mg cm^-2）也表现出稳定的循环性能，验证了该正极在宽工作温度范围内的未来实际应用潜力。进一步，作者基于薄锂金属负极（40 μm）和低电解液/S比（7 μL mg^-1）条件在实际的Li-Se/S软包电池中评估了该策略，在电流密度为200 mA g^-1时的70 次循环中可很好地保持>99.3% 的高库仑效率。总之，该策略可以有效提高Li-Se/S电池性能并促进其在实际工作条件下的应用。

图2. OMSH-Se/S正极与HFE基电解液组合的实际应用验证

Pushing lithium-sulfur batteries towards practical working conditions through cathode-electrolyte synergy, Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI:10.1002/anie.202203466