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張強(qiáng)/李博權(quán),最新JACS!

張強(qiáng)/李博權(quán),最新JACS!
第一作者:Xi-Yao Li
通訊作者:張強(qiáng),李博權(quán)
通訊單位:清華大學(xué),北京理工大學(xué)
論文速覽
鋰硫電池被認(rèn)為是下一代儲(chǔ)能技術(shù)。具有低多硫化鋰(LiPS)溶劑化能力的弱溶劑化電解液可以保護(hù)鋰陽極并提高循環(huán)穩(wěn)定性。然而,陰極LiPS動(dòng)力學(xué)不可避免地惡化,導(dǎo)致嚴(yán)重的陰極極化和有限的能量密度。
本論文探討了多硫化(LiPS)在弱溶劑化電解液中的動(dòng)力學(xué),旨在實(shí)現(xiàn)實(shí)用的鋰硫(Li-S)電池。
研究發(fā)現(xiàn),弱溶劑化電解液雖然能夠保護(hù)鋰負(fù)極并提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性,但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的負(fù)極極化和有限的能量密度。通過深入分析,確定了活化極化而非濃度或歐姆極化是主要的動(dòng)力學(xué)限制,這源于更高的電荷轉(zhuǎn)移活化能和改變的反應(yīng)速率決定步驟。
為了解決這一動(dòng)力學(xué)問題,研究者引入了氮化鈦(TiN)作為電催化劑,相應(yīng)的Li-S電池展現(xiàn)出降低的極化、延長(zhǎng)的循環(huán)壽命以及在2.5 Ah級(jí)軟包電池中高達(dá)381 Wh kg-1的實(shí)際能量密度。這項(xiàng)工作闡明了在保護(hù)性弱溶劑化電解液中的LiPS反應(yīng)機(jī)制,并強(qiáng)調(diào)了電催化調(diào)控策略在高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)Li-S電池中的應(yīng)用。
圖文導(dǎo)讀
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圖1:適度溶劑化溶劑(DME)和弱溶劑化溶劑(HME)的電靜態(tài)勢(shì),以及在不同恒電位充電電壓下的穿梭電流、Li-S扣式電池中的庫侖效率評(píng)估、在惡劣條件下的充放電曲線,以及在弱溶劑化電解液中LiPS陽極和陰極行為的示意圖。
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圖2:在弱溶劑化電解液中Li-S全電池的陰極極化解耦。
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圖3:在弱溶劑化電解液中LiPS陰極動(dòng)力學(xué)評(píng)估,涉及液-液和液-固轉(zhuǎn)換的內(nèi)在動(dòng)力學(xué)評(píng)估。
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圖4:在弱溶劑化電解液中LiPS的表觀動(dòng)力學(xué)評(píng)估。
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圖5:通過引入TiN電催化劑減少弱溶劑化電解液中的活化極化。
總結(jié)展望
本研究系統(tǒng)地研究了弱溶劑化電解液中陰極LiPS的動(dòng)力學(xué),揭示了電解液溶劑化能力減弱時(shí)的動(dòng)力學(xué)降級(jí)機(jī)制。通過極化解耦分析,發(fā)現(xiàn)活化極化而非濃度或歐姆極化顯著增加,成為主要的動(dòng)力學(xué)限制。進(jìn)一步的機(jī)制研究表明,增大的活化極化源于提高的電荷轉(zhuǎn)移活化能和改變的反應(yīng)速率決定步驟。
為了解決這一動(dòng)力學(xué)問題,引入了TiN作為有效的LiPS電催化劑,以克服難以忍受的活化極化。因此,采用弱溶劑化HME電解液和TiN電催化劑的Li-S電池展現(xiàn)出降低的極化、更高的比容量、延長(zhǎng)的循環(huán)壽命,以及在2.5 Ah級(jí)軟包電池中達(dá)到381 Wh kg-1的實(shí)際能量密度。
這項(xiàng)工作不僅闡明了陰極LiPS的動(dòng)力學(xué)機(jī)制,并強(qiáng)調(diào)了在保護(hù)性弱溶劑化電解液中的電催化調(diào)控,而且激發(fā)了對(duì)設(shè)計(jì)高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)Li-S電池的進(jìn)一步理解。
文獻(xiàn)信息
標(biāo)題:Kinetic Evaluation on Lithium Polysulfide in Weakly Solvating Electrolyte toward Practical Lithium?Sulfur Batteries
期刊:Journal of the American Chemical Society
DOI:10.1021/jacs.4c02603

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