刘树平教授、徐正龙教授， ESM研究：优化液态硫沉积动力学实现快速充电锂硫电池

第一作者：师芳仪， 陈春红

通讯作者：刘树平*，徐正龙*

单位：香港理工大学

研发快速充电电池以消除使用电动汽车时的充电顾虑是非常重要的。研究发现，液态硫的流动特性可以增强面积容量，并有助于锂硫（Li-S）快速充电电池。然而，液态硫在Li-S电池中的沉积动力学仍未得到充分研究。本研究利用微电池装置跟踪液态硫在碳膜上的原位沉积。令人惊讶的是，即使在高过电位和高导电性基材下，反应和硫的生长动力学都显示出较慢的趋势，这表明过多的硫滴形成会阻碍反应和生长动力学。这一发现指导了碳纳米纤维阴极的优化，使其在充电速率显著提高（从1C提升至8C）的情况下仍保持94%的容量保持率。这项研究推动了我们对Li-S电池中液态硫的理解，并为设计高性能、快速充电电池提供了指导

近日，香港理工大学的刘树平教授和徐正龙教授, 在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Optimal liquid sulfur deposition dynamics for fast-charging Li-S batteries”研究。该文章分析研究了液态硫在不同导电基底上，不同过电势下液态硫沉积的动力学, 并且根据研究结果优化正极材料的设计来构建快速充电锂硫电池。

液态硫的沉积来自于Li2S8 的氧化过程。Li2S8可溶于DOL:DME电解液并根据浓度不同显示各种颜色。因此该研究建立了浓度与灰度值的关系, 并且通过跟踪阴极电解液的颜色变化来实时监测充电过程中Li2S8的消耗去计算反应过程中的反应常数和反应级数。

该研究通过原位光学电池来追踪液态硫的反应动力学，观察在不同过电势下，不同导电基底下的反应动力学。根据实验结果建立了成核位点，过电势与反应动力学之间的关系。研究发现控制成核位点数目可以达到最优化的反应动力学(图1a)。过量的反应位点将会降低反应速率（图1b）。

通过以上研究结果，选择了最优的正极材料来构建快速充电锂硫电池。采用8 C的充电电流也可以实现~94%的容量保持率（图2）。

Optimal liquid sulfur deposition dynamics for fast-charging Li-S batteries

刘树平教授简介：香港理工大学应用物理系讲席教授兼系主任，材料表征与器件制造实验室主任。近年来一直从事低维纳米功能材料与新能源转化及存储材料的机理及器件研究，并在二维光电探测器，光电量子点及能源转化与存储器件领域有独创性的成果。至今已发表超过350篇学术论文，出版专著4部，H指数88，总引用次数30000+（google scholar）。