清华张强团队，2024年首篇Angew！

成果简介

多硫化锂（LiPSs）是锂-硫（Li-S）电池中所有正极反应的关键中间体，因此阐明LiPSs的溶剂化结构是合理设计电解质和提高Li-S电池性能的第一步。基于此，清华大学张强教授等人报道了一种阳离子型LiPSs的溶剂化结构，发现Li盐阴离子参与了LiPSs的溶剂化结构，并显著影响了其本征反应动力学。具体而言，从Li盐解离的阴离子与电解质中的LiPS阳离子形成接触离子对，从而在LiPSs的第一溶剂化鞘中发挥重要作用。阴离子改变了LiPS中间体的形成能，从而显著影响硫氧化还原反应的内在动力学。

作为概念验证，在高硫面负荷和低电解质体积条件下，对比常用的Li二(三氟甲磺酰基)亚胺（LiTFSI），添加了Li二(氟磺酰基)亚胺（LiFSI）的锂电池具有更高的放电容量、更低的极化和更高的倍率性能。本工作加深了对Li-S电池中LiPSs的溶剂化化学的理解，并突出了构建高性能Li-S电池的电解质设计的前景。

研究背景

锂-硫（Li-S）电池以其2600 Wh kg^-1的超高理论能量密度，被认为是下一代电化学储能器件。Li-S电池内部的反应包括固体硫（S₈）还原生成一系列多硫化锂（LiPSs）和固体硫化锂（Li₂S）的形成作为最终放电产物。LiPSs作为Li-S电池的关键中间体，实现了绝缘S₈和Li₂S固体之间可行的电化学转化途径，从而提高了活性材料的利用率。然而，在实际工作条件下，如使用高负荷硫正极和低电解质体积，LiPSs的过度溶解度导致反应动力学极度恶化。同时，LiPSs与锂金属负极发生剧烈反应，腐蚀严重，负极失效迅速。因此，合理调控LiPSs的行为对于实现Li-S电池的实用化至关重要。

团队通过合理设计电解质成分，调控LiPSs的溶剂化结构，可调节LiPSs的溶解度和反应性，从而优化Li-S电池的整体性能。多种理论研究都集中在解释溶剂和Li盐在LiPSs的溶解度、存在形式、传输性质和反应动力学中的作用，但全面了解LiPSs的溶剂化结构，特别是关于LiPSs如何与电解质组分相互作用并形成特定的离子-溶剂络合物还难以捉摸。因此，需要进一步的探索来揭示潜在的溶剂化化学，并释放Li-S电池的全部潜力。

图1. LiPSs的阴离子参与溶剂化结构的示意图

图文导读

通过密度泛函理论（DFT）计算，作者研究了LiPSs与电解质组分之间的相互作用。在-0.3至-0.7 eV范围内，Li₃Sn⁺-An^–的形成均呈现负吉布斯自由能变化（ΔG）值，表明Li盐阴离子在热力学上有利于取代二甲醚溶剂，参与LiPSs的第一溶剂化鞘层，在电解质中形成接触离子对。在所有Li₃Sn⁺-An^–离子对中，Li盐阴离子的两个氧原子与Li₃Sn⁺的一个Li原子配位，形成六元环状结构。其中，一个氧原子还与另一个Li原子配位，形成强静电相互作用，配位结构紧凑。在An^–的配合下，Li₃Sn⁺保持其离子性质，从An^–到Li₃Sn⁺的净电子转移可以忽略不计，表明阴离子对LiPSs阳离子的溶剂化作用表现为离子-离子相互作用的性质。

图2. 电解质中LiPSs的阴离子溶剂化结构的光谱表征

图3. 电解质中LiPSs的阴离子参与溶剂化结构的理论计算

随着Li盐（记为LiAn）的加入，稀Li₂S₆溶液中存在的离子解离和缔合反应，主要包括：（1）Li₂S₆在二甲醚溶剂中解离生成LiS₆^–和二甲醚溶剂化Li⁺（Li⁺-DME）；（2）LiAn解离；（3）Li₂S₆和Li⁺-DME结合形成二甲醚溶剂化Li₃S₆⁺（Li₃S₆⁺-DME）；（4）Li₃S₆⁺-DME与Li₃S₆⁺-An^–接触离子对的配体取代反应。在不同的Li₂S₆标称浓度（1.0 M LiTFSI）下，TFSI^–溶剂化的Li₃S₆⁺阳离子在电解质中占主导地位。在低浓度（< 0.1 M），TFSI^–溶剂化的Li₃S₆⁺阳离子约占65%，凸显了Li盐阴离子对LiPSs的强溶剂化作用。当Li₂S₆浓度增加到0.6 M时，TFSI^–溶剂化的Li₃S₆⁺阳离子比例进一步上升到90%左右。

图4. LiPSs溶剂化结构的定量分析

通过DFT计算建立电催化模型，作者研究了Li₂S₄到Li₂S的六-电子硫还原反应的反应机理。当TFSI^–或BETI^–作为溶剂化阴离子时，步骤4表现出最大的正电荷ΔG，并被确定为速率决定步骤，TFSI^–和BETI^–的势垒分别为0.69和0.75 eV。而以FSI^–为溶剂化阴离子时，第4步的ΔG值降至0.59 eV，决定速率的步骤变为第三步。结果表明，加入LiFSI作为Li盐降低了硫还原反应的活化能垒。

图5. 阴离子溶剂化LiPS的动力学性能

在3 C和4 C（1 C=1672 mA g^-1）条件下，LiFSI基Li-S电池的比容量分别为668 mAh g^-1和595 mAh g^-1，超过了使用LiTFSI或LiBETI的电池。在加入LiFSI后，Li-S电池在长期循环中表现出更好的稳定性。LiFSI基Li-S电池在2.0 C下的循环寿命可达1000次，而使用LiTFSI或LiBETI的电池容量下降迅速，分别在150或250次循环内失效。此外，作者组装了具有4.0 mg_S cm^-2的高硫负荷正极和5.0 μL mg_S^-1的低电解质硫比（E/S）的Li-S电池，其中具有LiFSI的高含硫量Li-S电池在0.05 C时表现出1176 mAh g^-1的比容量，在0.3 C的高放电倍率下保持896 mAh g^-1，而具有LiTFSI或LiBETI的电池在仅0.25或0.15 C的放电倍率下表现出急剧下降的比容量。LiFSI基Li-S袋式电池在0.05 C下能量密度达到403 Wh kg^-1，放电容量达到1195 mAh g^-1，证明通过调节阴离子结构实现高能量密度Li-S电池的有效性。

图6. 具有不同锂盐阴离子的Li-S电池的性能

文献信息

Anion-Involved Solvation Structure of Lithium Polysulfides in Lithium–Sulfur Batteries. Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202400343.

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