鋰硫電池電解液添加劑的研究進展

全文速覽因為能量密度高、成本低等優(yōu)點，鋰硫電池成為最有前景的下一代電池體系之一。然而，鋰硫電池的實際應(yīng)用仍面臨著嚴峻挑戰(zhàn)，如硫和硫化鋰的低電導(dǎo)率、多硫化物的穿梭效應(yīng)和鋰枝晶的生長等。通過電解液的優(yōu)化，可以改善電極|電解質(zhì)界面，減弱副反應(yīng)，提高電池性能。其中，電解液中的功能添加劑能有效調(diào)節(jié)電極界面和電池的氧化還原機制。本文系統(tǒng)性總結(jié)了鋰硫電池添加劑的最新研究進展，并根據(jù)添加劑對鋰金屬負極的保護作用和對硫正極的穩(wěn)定作用進行了分類。另外，本文詳細討論了添加劑在硫正極的作用，如抑制多硫化物的溶解和穿梭、充當氧化還原介質(zhì)、激活硫化鋰的沉積與溶解等。最后，本文展望了鋰硫電池添加劑的發(fā)展前景，希望能對高性能鋰硫電池電解液的設(shè)計提供借鑒。背景介紹隨著化石燃料的消耗和環(huán)境污染的日益嚴重，發(fā)展新的可再生能源顯得至關(guān)重要。鋰離子電池因其能量密度高、循環(huán)壽命長，主導(dǎo)著目前消費類和動力電池市場。但鋰離子電池受到電極材料理論容量的限制，其能量密度已難有明顯提高。鋰硫電池采用金屬鋰作為負極，單質(zhì)硫作為正極，具有更高的理論容量和能量密度，且成本更低，環(huán)境友好。然而，鋰硫電池的實際應(yīng)用仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。如高溶解性多硫化鋰的“穿梭效應(yīng)”，以及硫和硫化鋰的低電導(dǎo)率和低溶解度，且高活性的金屬鋰易與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成不穩(wěn)定的界面和鋰不均勻沉積導(dǎo)致的枝晶生長問題等。因此，需要采取適當?shù)膽?yīng)對策略，來優(yōu)化改善鋰硫電池的性能。研究出發(fā)點通常的改進策略包括設(shè)計新的硫宿主材料，功能化隔膜，鋰負極表面修飾等，其中電解液的優(yōu)化是提高鋰硫電池性能的便捷途徑，因為電解質(zhì)不僅作為電荷傳輸?shù)妮d體，還極大的影響電極界面反應(yīng)。而相較于調(diào)節(jié)電解質(zhì)溶劑和鹽或開發(fā)新的電解質(zhì)，引入添加劑是一種更經(jīng)濟、方便和有效的方法。少量的電解液添加劑就可以顯著改變電解質(zhì)的性能，如減少電解質(zhì)與鋰金屬的副反應(yīng)、緩解多硫化鋰的穿梭效應(yīng)、改善電極反應(yīng)動力學(xué)等。本文對鋰硫電池電解液添加劑的最新研究進展進行了綜述和分類。從添加劑的功能出發(fā)，討論了各種添加劑的工作原理、優(yōu)缺點。同時，分析了添加劑對電池整體性能的影響。最后對鋰硫電池添加劑的進一步開發(fā)和應(yīng)用前景進行了展望。圖文解析圖1

(a)SiCl4雜化SEI的形成過程和反應(yīng)機理；(b)硝酸化C60對鋰沉積的影響和相應(yīng)鋰硫電池在2C下的循環(huán)性能；(c)不同溶質(zhì)和溶劑的分子軌道能量以及(d)添加KPF6后鋰沉積的示意圖；(e)添加N,S摻雜碳點后Li-Cu半電池中Li沉積過程的電壓曲線和(f)Li-Li對稱的過電位隨電流的函數(shù)關(guān)系。圖2

(a)-[MB-Li2Sn]-的形成機制和(b)添加MB的rGO/S-Li電池在1C下的循環(huán)性能；(c)含N摻雜碳點和空白電解液與LiPSs相互作用的光學(xué)照片；(d)硫化二氯苯醌的原位固化和放電過程示意圖；(e)硫-菲醌-石墨復(fù)合材料的形成示意圖和(f)含菲醌鋰硫電池在0.5C下的長期循環(huán)性能。

圖3

(a)二硫化物氧化還原介質(zhì)在鋰硫電池中的作用示意圖；(b)含有機二硒化物硫正極的反應(yīng)途徑示意圖；(c)1,4-苯二硫酚在鋰硫電池中的反應(yīng)原理圖和(d)氧化還原機理；(e)苯三硫酚分別與Li和S的反應(yīng)途徑以及(f)含有苯三硫酚的鋰硫電池在1C下的長循環(huán)性能。

圖4

(a)鋰硫電池中氧化還原介質(zhì)對Li2S活化示意圖；(b)含不同添加劑Li-Li2S電池的循環(huán)伏安圖；(c)含菲醌添加劑的Li-Li2S電池的循環(huán)性能和(d)相應(yīng)的高載量Li2S的循環(huán)性能；(e)全固態(tài)Li-Li2S電池中的Li2S活化方案以及(f)有無氧化還原介質(zhì)下的電壓曲線。圖5

高性能鋰硫電池電解質(zhì)添加劑的挑戰(zhàn)和前景

總結(jié)與展望本文從電解液添加劑的角度對鋰硫電池目前面臨的挑戰(zhàn)和相應(yīng)的解決方案進行了簡要的分析，主要結(jié)論和展望如下：嚴重的穿梭效應(yīng)和緩慢的動力學(xué)制約了高能量密度硫正極的應(yīng)用，而對于鋰金屬負極，不穩(wěn)定的界面層和鋰枝晶的生長進一步破壞了其電化學(xué)性能。在此背景下，通過合理的添加劑調(diào)節(jié)鋰硫電池的整體性能有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。一般來說，有機添加劑的功能主要取決于官能團，因此，有必要結(jié)合理論計算指導(dǎo)功能添加劑的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對添加劑的組分進行調(diào)整和優(yōu)化，使添加劑分子實現(xiàn)多種功能，包括穩(wěn)定多硫化物，促進硫化鋰氧化，保護鋰金屬等。此外，采用先進的原位表征技術(shù)，分析添加劑的