清华大学张强/赵梦Chem：“抗聚集”多硫化锂弱溶剂化电解液实现低温锂硫电池新突破

第一作者：金天

通讯作者：赵梦*，张强*

单位：北京理工大学，清华大学

锂硫电池因其高达2600 Wh/kg的理论能量密度，被视为下一代高能量密度储能体系的有力候选。然而，多硫化锂在电解液中的溶解与穿梭效应导致锂负极腐蚀严重，限制了锂硫电池的实际应用。弱溶剂化电解液可有效抑制多硫化锂与锂负极之间的副反应，提升电池循环稳定性，但同时也带来正极反应动力学迟滞的问题。目前，弱溶剂化电解液中多硫化锂的转化反应动力学机制尚不明确，制约了高性能锂硫电池的理性设计。

近日，清华大学张强教授与赵梦助理研究员团队联合北京理工大学黄佳琦教授与李博权教授团队，通过旋转圆盘电极电化学分析系统定量解析了弱溶剂化电解液中多硫化锂的反应动力学，揭示了弱溶剂化电解液“抗多硫化锂聚集”效应及其对低温性能的提升机制。该研究发现在弱溶剂化电解液中，多硫化锂的氧化反应转移电子数下降，证明其氧化反应本质上受到抑制，对应于锂硫电池充电过程困难。同时，研究人员注意到扩散系数和电解液粘度随弱溶剂比例的提高而同步增大，结合Stokes–Einstein关系推导出其流体力学半径显著减小，表明多硫化锂的聚集被弱溶剂化电解液有效抑制。由于多硫化锂的聚集减少，6 Ah级锂硫软包电池在0°C下实现了8.0 mAh/cm2的高面容量和303 Wh/kg的能量密度。这项工作建立了针对锂硫电池复杂液固反应的动力学分析方法，通过拟合关键动力学参数指导电解液理性设计，并突出了弱溶剂化电解液在实现低温锂硫电池方面的优势。该成果发表于国际顶级期刊Chem上。

研究团队设计了基于三电极体系的旋转圆盘电极分析方法（RDE），通过变转速线性扫描伏安法（LSV）与变扫速循环伏安法（CV），利用Koutecký–Levich (K–L) 方程与Randles–Sevcik (R–S) 方程联立，可以定量求解多硫化锂氧化反应的转移电子数（n）与扩散系数（D）。

研究团队以Li2S8为活性物质，配制了弱溶剂比例为0%–50% 的弱溶剂化电解液，进行变转速LSV与变扫速CV测试。利用上述分析方法，拟合了极限电流密度与转速、峰值电流密度与扫速的关系，联立K–L方程与R–S方程计算出了反应的转移电子数和扩散系数。结果显示，随着弱溶剂比例升高，n从1.68降至1.10，表明氧化反应程度受到抑制，体现了弱溶剂化电解液中多硫化锂反应动力学的减弱。

研究发现，随着弱溶剂比例的提升，电解液粘度和扩散系数同时增大。具体而言，当弱溶剂比例从0%变化到50%时，扩散系数D从3.70×10⁻⁶增大到7.91×10⁻⁶ cm²/s。为了从分子水平上理解上述趋势，研究团队根据Stokes–Einstein方程，计算出多硫化锂的流体力学半径随电解液中弱溶剂比例的提升从0.38 nm降至0.13 nm，降幅达65.8%。拉曼光谱与7Li核磁共振谱学结果进一步证实，S–S键振动蓝移、锂化学位移向低场移动，说明多硫化锂分子间相互作用减弱，聚集程度降低。

得益于弱溶剂化电解液的多硫化锂“抗聚集”效应，采用弱溶剂化电解液的锂硫纽扣电池在−20°C下仍能提供853 mAh/g的比容量，在0.05 C倍率下可稳定放电，在0.01 C下可稳定循环超30圈，均远高于传统强溶剂化电解液电池性能。6 Ah级锂硫软包电池在0°C低温与贫电解液条件下，实现了8.0 mAh cm⁻²的高面容量与303 Wh/kg的高能量密度，另一软包电池在−20℃的条件下，实现了847 mAh/g的放电比容量和6.9 mAh/cm²的面容量，性能均超过目前已报道的低温锂硫电池水平。

金天，硕士生。主要研究方向为弱溶剂化电解液锂硫电池的动力学研究。

赵梦，清华大学助理研究员。主要从事高比能锂硫电池的界面反应机制与调控策略方面的研究。相关研究成果发表SCI论文40余篇，包括15篇ESI高被引论文，引用5000余次，H因子31。主持国家自然科学基金、博士后面上项目，入选国家资助博士后研究人员计划和清华大学“水木学者”计划，担任中国颗粒学会青年理事，入选科睿唯安“全球高被引学者”。