北理工黄佳琦《Chem》：锂硫电池动力学调控调控策略

来源：材料科学前沿

近日，Cell出版社化学旗舰杂志《Chem》（影响因子19.7）报道了北京理工大学前沿交叉科学研究院黄佳琦课题组在锂硫电池动力学调控方面的研究新进展，相关研究成果以“An Organopolysulfide Comediator for Accelerating Sulfur Redox Kinetics in Lithium–Sulfur Batteries”为题在线发表。该工作第一作者为北京理工大学博士研究生赵梦，通讯作者为北京理工大学黄佳琦教授。

锂硫（Li–S）电池由于高达2600 Wh kg−1的理论能量密度引起了广泛的关注。然而，由于硫正极复杂的多相和多电子氧化还原反应导致其反应动力学缓慢，Li–S电池的实际性能受到严重限制。通常，硫正极的电化学反应受到作为内源性氧化还原介体（RM）的可溶性多硫化锂调控，多硫化锂通过化学歧化/归中反应过程影响最终的放电/充电产物的沉积/溶解过程和反应速率，进而影响电池的容量和倍率性能。然而，多硫化锂自身的氧化还原介导能力不足，且随电池充放电状态而发生物种和浓度的变化，无法及时有效地介导整个电化学反应过程，导致电池容量的损失和倍率性能的限制（图1A）。因此，迫切需要开发新的策略和方法来提升内源性多硫化锂的氧化还原介导能力，以实现高比能量Li–S电池的稳定循环。

受到辅酶在生物系统中的作用机制的启发，该团队提出了一种氧化还原辅介体调控策略来提高Li–S电池的正极氧化还原动力学。与辅酶作用于相应的酶来促进其催化活性的机制类似，氧化还原辅介体（coRM）通过化学反应调控内源性多硫化锂氧化还原介体，赋予其更高的氧化还原介导能力（图1B）。二叔丁基二硫醚（DtbDS）作为coRM被引入锂硫电池体系进行概念验证。其中， DtbDS自发地与多硫化锂反应，通过图1C所示的反应生成叔丁基多硫化锂（LitbPS）物种。LitbPSs作为活性RM具有比原始多硫化锂RM更优异的氧化还原介导能力，从而显著改善了硫的氧化还原动力学。此外，DtbDS辅介体的引入通过调控化学歧化/分解路径将Li2S的沉积方式从二维转变为三维。

图1. Li–S电池的反应路径示意图。（a）常规Li–S电池中的多硫化物介导的反应路径和（b）氧化还原辅介体调控下的反应路径示意图。（c）氧化还原辅介体与多硫化锂之间的化学反应式。

氧化还原辅介体策略提升内源性多硫化锂介体调控硫正极的氧化还原动力学，可以显著提高电池充放电容量和倍率性能。使用DtbDS辅介体的Li–S电池在4C下可以提供566mAh g−1的放电比容量，并且在5mg cm−2的高硫负载和5μL mg−1的贫电解液条件下表现出稳定循环能力。该团队还组装了1.5Ah级别的DtbDS辅助介导的Li–S软包电池，并且实现了300Wh kg−1的实际能量密度和40圈的稳定循环。该工作展示了一种能够显著促进高性能Li–S电池氧化还原动力学的氧化还原辅助介导策略，启发了以DtbDS为代表的更多的应用于能源系统的氧化还原辅介体的开发。