美国阿贡实验室Angew.Chem.Int.Ed: 电解质溶剂的相对溶剂化能力与锂硫电池中多硫化物穿梭效应的关系

【引言】

锂-硫(Li-S)电池由于其具有极高的理论比容量(1675 mAhg^-1)，并且硫无毒，价格低廉，被广泛地认为是未来大规模储能领域应用发展的方向。然而，Li-S电池容量的快速衰减和库仑效率低阻碍了它的大规模商业化应用。在将硫电化学还原成硫化锂期间，多硫化锂（LiPS）中间体的副反应被认为是容量快速衰减和库仑效率低的主要原因。将LiPS限制在正极内部中来解决LiPS的溶解问题是最常用的策略，例如纳米碳，聚合物粘结剂和金属有机骨架，然而，这些方法降低电池的能量密度。 另一种方法是使用具有LiPS溶解度低的新电解质溶剂代替常规电解质溶剂。例如，1,3-二氧戊环（DOL）和二甲氧基乙烷（DME）的混合物。事实证明，这种方法在提高Li-S电池的库仑效率方面是成功的。此外，有一些研究已经指出电解质溶剂的溶剂化状态在LiPS溶解过程中的重要性。因此，深入了解LiPS溶解与电解质溶剂溶剂化之间的关系对于开发高效的Li-S电池至关重要。

【成果简介】

近日，美国阿贡实验室Khalil Amine教授（通讯作者）提出了相对溶剂化能力（γ）这一概念，其定义为测试溶剂的配位百分比（α）与参比溶剂的配位百分比（α0）之间的比率，作为LiPS溶解程度的指标。在此项研究中，DOL被用作参比溶剂，因为它是Li-S电解液中使用最广泛的溶剂，由DOL形成的固体电解质界面（SEI）可以帮助稳定锂金属负极。实验结果表明，常规醚溶剂与1,3-二氧戊环（DOL）的相对溶剂化能力越高，LiPS溶解越严重，Li-S电池的库仑效率越低。在电解质溶剂的相对溶剂化能力与LiPS溶解度之间存在线性相关性的事实使得相对溶剂化能力成为选择Li-S电池电解质溶剂的重要参数。此外，相对溶剂化能力是研究电解质溶剂与锂硫电池中LiPS溶解行为之间定量构效关系的有力工具，因为电解质溶剂的锂溶剂化能力取决于其结构。相关研究成果以“Relationship between Relative Solvating Power of Electrolyte and Shuttling Effect of LithiumPolysuflides in Lithium-Sulfur Batteries”为题发表在Angewandte Chemie-International Edition上。

【图文导读】

图一¹H DOSY-NMR光谱

（a）4：1 的DOL：DME和（b）1：4：1 LiTFSI：DOL：DME电解质（加入甲苯作为内参照）的¹H DOSY-NMR光谱

图二使用不同电解质的Li-S电池性能对比

（a）使用1.0M LiTFSI加1：1 DOL：DME，1：1 DOL：THF，1：1 DOL：MeTHF和1：1 DOL：MtBE不同电解质的Li-S电池的容量保持率

（b）使用1.0M LiTFSI加1：1 DOL：DME，1：1 DOL：THF，1：1 DOL：MeTHF和1：1 DOL：MtBE不同电解质的Li-S电池的库伦效率

图三不同溶剂的库仑效率与其相对溶剂化能力对数的函数关系

【小结】

总之，引入相对溶剂化能力这一概念，其定义为溶剂与参比溶剂（DOL）之间的配位比的比率，作为锂-硫电池中LiPS溶解度的指标。通过研究发现，电解质溶剂的相对溶剂化能力与Li-S电池中LiPS溶解度之间存在线性关系。因此，相对溶剂化能力不仅可以作为选择电解质溶剂的重要参数，更重要的是，提供了研究电解质溶剂的定量构效关系和Li-S电池性能的工具，因为溶剂的有机结构决定了它的相对溶剂化能力。未来的工作将集中在溶剂库的扩展和相对溶剂化能力在其他电化学存储系统中的应用。

文献链接：“Relationship between Relative Solvating Power of Electrolyte and Shuttling Effect of LithiumPolysuflides in Lithium-Sulfur Batteries”(Angew. Chem. Int. Ed. DOI:10.1002/anie.201807367)

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