第一作者：Shuang-Yan Lang
通訊作者：文銳、萬立駿
通訊單位：中科院化學所、中國科學院大學
研究亮點：
1. 發現了電解質中的鋰鹽影響鋰硫電池充/放電過程中沉積/分解硫化物的結構和形貌。
2. 理解了鋰硫反應的界面動力學，揭示了納米級鹽介導的機制，為鋰硫電池界面的優化設計提供了新的視角。
鋰硫電池由于具有高比容量和低成本等優勢，在儲能領域有巨大的應用潛力。問題在于，多硫化物中間體的溶解造成穿梭效應，導致高的界面電阻和循環性能衰退。深入研究界面中多硫化物的形成和轉化，對鋰硫電池的發展至關重要。
鋰鹽中的陰離子對電解質中的離子-溶劑相互作用和正極-電解質界面上的多硫化物溶解有著關鍵影響。然而，目前很少有研究鋰鹽對正極界面硫化物轉化的影響。雖然電解質的設計成為Li-S電池進一步發展的共識，但在正極-電解質界面處，硫化物的實時動態轉化仍然是未知的。因此，在時間和空間四維角度下，通過實時監測界面中鋰鹽對硫化物在電化學環境下的形態、結構和動力學的影響，是非常有意義的。
有鑒于此，中科院化學所文銳和萬立駿團隊通過對工作電池內部的實時AFM監測，直接觀察到鋰鹽對硫化物界面演變和動態轉變的影響。
圖1. LiTFSI-LiFSI二元鹽電解質中正極-電解質界面處硫化物反應的示意圖
基于LiFSI和LiTFSI的二鋰鹽電解質的電化學反應中，顯示出層狀和球形硫化物共沉積現象。CV中的峰分布對應于NPs（2.1V）和由Li2S2和Li2S組成的球形/層狀沉積物（2.0-1.75V）的氧化還原峰。
共沉積的球形和層狀Li2S可歸因于電解質中LiFSI和LiTFSI鹽共存。沉積的Li2S的獨特形態與Li鹽中不同的陰離子相關，因此Li鹽對影響界面結構起關鍵作用。
圖2. LPS電池中沉積硫化鋰的原位AFM表征
由于層狀和球狀的形態差異，研究人員又分析了Li2S在LiFSI基、LiTFSI基和LiTFSI-LiFSI不同電解質下的結構變化。
在放電過程中，LiFSI誘導三維球形Li2S生長，而LiTFSI誘導二維層狀Li2S的生長。Li2S沉積電位的微小差異可能歸因于Li鹽，粘度更高，導電率更低。與基于LiFSI電解質相比，基于LiTFSI電解質會導致更高的極化，導致LiTFSI介導的層狀Li2S生長具有更大的超電勢。
圖3.不同鋰鹽環境中Li2S的形貌和結構表征
圖4. 片狀和球形的Li2S在LPS電池中分解的原位AFM表征
總之，這項研究通過納米尺度的實時監測，深刻理解了Li-S電池電化學反應界面機制，為具有高能量密度和優異循環性能的Li-S電池的合理設計打開了一個全新的視角。
文獻鏈接：
Shuang-Yan Lang, Rui-Juan Xiao, Lin Gu,Yu-Guo Guo, Rui Wen, and Li-Jun Wan. Interfacial Mechanism in Lithium-SulfurBatteries: How Salts Mediate the Structure Evolution and Dynamics. J. Am. Chem.Soc., 2018.
